KR20230006218A - 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지와 열전소자를 함께 이용하여 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 기술적 사상에 관한 것으로, 태양전지 상면 모서리에 수평 구조의 열전소자를 위치시켜 태양전지의 전기에너지와 열전소자의 전기에너지를 동시에 생성하기 위한 에너지 하베스팅 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 태양광에 기반하여 전기에너지를 생성하는 태양전지; 상기 태양전지에서 상기 태양광이 입사하는 상면의 적어도 하나의 모서리 부분에 형성되는 열 전달층; 및 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 열전채널을 포함하고, 상기 제1 전극이 상기 열 전달층 상에 위치하여 상기 태양전지와 수평으로 배치되는 수평 구조를 가지며, 상기 태양광에 기반한 상기 태양전지의 열이 상기 열 전달층을 통해 상기 제1 전극에 전달되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도 간의 온도 차이에 기반하여 추가 전기에너지를 생성하는 열전소자를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지와 열전소자를 함께 이용하여 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 기술적 사상에 관한 것으로, 태양전지 상면 모서리에 수평 구조의 열전소자를 위치시켜 태양전지의 전기에너지와 열전소자의 전기에너지를 동시에 생성하기 위한 에너지 하베스팅 기술에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심도가 높아지고 있다.
그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 전기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 존재한다.
태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지고, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 음(-)전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 양(+)전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.
한편, 태양전지는 에너지 하베스팅 소자로서 주변에 존재하는 열이나 태양광과 같은 에너지원을 즉각적으로 전기에너지로 변환할 수 있지만 에너지원의 세기가 주변 환경에 따라 변하기 때문에 생성되는 전기에너지 양이 제한적이다.
에너지 하베스팅 소자는 열, 마찰, 압력, 태양광 등을 활용하여 전기에너지를 생성하는 소자로서 열전소자, 태양전지, 압전소자 및 마찰전기 소자 등을 포함할 수 있다.
주변 온도로부터 생성되는 전기에너지의 양을 증대시키기 위해서 에너지 하베스팅 소자를 연동한 에너지 시스템이 개발되고 있다.
다만, 종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 기술은 에너지 하베스팅 소자에서 생성되는 전기에너지 양이 제한적으로, 전기에너지 생산 측면에서 개선점이 존재한다.
또한, 태양광, 열, 마찰 및 압력 등을 활용하여 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 기술 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
실생활에서 사용되는 에너지 소모량의 증가로 인하여 태양광 및 미소 열에너지를 활용한 에너지 발전, 사용이 가능한 전력원에 대한 개발이 요구된다.
또한, 에너지 하베스팅 소자의 실적용을 위해서 집적도가 높은 시스템의 개발과 면적당 생산 전력의 향상이 필수적으로 요구된다.
본 발명은 태양전지에 열전소자를 적용하여 공간 활용도를 극대화하고 태양전지를 통한 전기에너지 생성 및 태양전지의 열을 이용하여 열전소자의 전기에너지를 추가적으로 생성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 태양전지 상에 열전소자를 수평 구조로 형성함에 따라 태양전지의 최소 공간만을 활용하여 태양전지의 전기에너지 생산 성능을 유지하면서 전기에너지 생산량을 증가시키는 공간 활용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 태양전지와 열전소자에서 동시에 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜 에너지 하베스팅 시스템의 발전 성능을 향상시키면서 생성된 전기에너지가 즉시 사용될 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 반도체 공정기술을 이용하여 제작된 수평 구조의 열전소자의 크기가 태양전지에 비해 작은 영역을 소모함에 따라 추가적인 공간 소모 없이 전기에너지의 생산량을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 태양전지와 열전소자의 수평 구조에 기반하여 태양전지의 전기에너지 생산 효율성을 확보하면서, 태양전지로부터 열전소자까지 높은 열전도도를 확보하여 에너지 하베스팅 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 태양광에 기반하여 전기에너지를 생성하는 태양전지, 상기 태양전지에서 상기 태양광이 입사하는 상면의 적어도 하나의 모서리 부분에 형성되는 열 전달층 및 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 열전채널을 포함하고, 상기 제1 전극이 상기 열 전달층 상에 위치하여 상기 태양전지와 수평으로 배치되는 수평 구조를 가지며, 상기 태양광에 기반한 상기 태양전지의 열이 상기 열 전달층을 통해 상기 제1 전극에 전달되어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 온도 간의 온도 차이에 기반하여 추가 전기에너지를 생성하는 열전소자를 포함할 수 있다.
상기 열전소자는 상기 열 전달층이 상기 상면에서 네 모서리 부분에 형성된 경우, 사각형 구조에 기반한 상기 수평 구조를 가지고, 상기 열 전달층이 상기 상면에서 하나의 모서리 부분에 형성된 경우, 띠 형태의 직선형 구조에 기반한 상기 수평 구조를 가질 수 있다.
상기 열전소자는 상기 사각형 구조 및 상기 직선형 구조 중 어느 하나의 구조에 기반하여 상기 태양전지에 상기 태양광이 입사되는 부분 중 상기 적어도 하나의 모서리 부분에 결합되는 상기 수평 구조를 이룰 수 있다.
상기 태양전지는 상기 수평 구조에 기반하여 상기 적어도 하나의 모서리 부분을 통해 상기 태양전지의 열을 상기 제1 전극으로 방출하면서 상기 적어도 하나의 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에 상기 태양광이 입사되어 상기 전기에너지를 생성할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성되고, 상기 열전채널은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질로 형성될 수 있다.
상기 열전채널은 상기 합성 물질에 기반하여 p 채널과 n 채널을 포함하고, 상기 p 채널 및 상기 n 채널 중 어느 하나의 채널이 상기 제1 전극에 연결되며, 상기 p 채널 및 상기 n 채널 중 나머지 하나의 채널이 상기 제2 전극에 연결될 수 있다.
상기 태양전지는 실리콘(Si) 태양전지, 염료감응형 태양전지, 단결정 태양전지, 다결정 태양전지 및 박막 태양전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 열 전달층은 BN(boron nitride), rGO(reduced graphene oxide), AlN(aluminum nitride), SiC(silicon carbide), BeO(beryllium oxide) 및 CB(carbon black) 중 적어도 하나의 열전도 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 열 전달층은 상기 적어도 하나의 열전도 물질에 기반하여 상기 태양전지로부터 상기 제1 전극으로의 열전도가 원활하도록 열전도도를 제어하고, 상기 태양전지로부터 상기 제1 전극으로의 전류 흐름을 제어할 수 있다.
상기 열전소자는 기판을 더포함하고, 상기 기판은 PES(polyether sulfone), PI(polyimide), CPI(colorless polyimide) 및 PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나의 폴리머 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 기판은 상기 적어도 하나의 폴리머 물질에 기반하여 상기 태양광으로부터의 열이 상기 열전소자에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
상기 열전소자는 상기 태양광의 세기의 변화에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 온도 차이가 변화되고, 상기 태양광의 세기 증가 및 상기 열전소자의 채널 길이 증가를 통해 상기 온도 차이가 증가 될 수 있다.
상기 열전소자는 상기 태양광의 세기가 300W 내지 1000W 인 경우, 상기 온도 차이가 2.4℃ 내지 5.9℃로 측정될 수 있다.
본 발명은 태양전지에 열전소자를 적용하여 공간 활용도를 극대화하고 태양전지를 통한 전기에너지 생성 및 태양전지의 열을 이용하여 열전소자의 전기에너지를 추가적으로 생성할 수 있다.
본 발명은 태양전지 상에 열전소자를 수평 구조로 형성함에 따라 태양전지의 최소 공간만을 활용하여 태양전지의 전기에너지 생산 성능을 유지하면서 전기에너지 생산량을 증가시키는 공간 활용도를 제공할 수 있다.
본 발명은 태양전지와 열전소자에서 동시에 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜 에너지 하베스팅 시스템의 발전 성능을 향상시키면서 생성된 전기에너지가 즉시 사용될 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 반도체 공정기술을 이용하여 제작된 수평 구조의 열전소자의 크기가 태양전지에 비해 작은 영역을 소모함에 따라 추가적인 공간 소모 없이 전기에너지의 생산량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 태양전지와 열전소자의 수평 구조에 기반하여 태양전지의 전기에너지 생산 효율성을 확보하면서, 태양전지로부터 열전소자까지 높은 열전도도를 확보하여 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 다양한 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 수평 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 온도 분포 측정 결과를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자에서 태양광의 세기에 따른 온도 차이 특성을 설명하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 다양한 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 수평 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 온도 분포 측정 결과를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자에서 태양광의 세기에 따른 온도 차이 특성을 설명하는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
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어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성 요소 및 태양전지와 열전소자의 결합 구조를 예시한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)은 태양전지(110), 열 전달층(120) 및 열전소자(130)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 에너지 하베스팅 시스템(100)은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지(110)와 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전소자(130)를 통합한 시스템으로, 태양광 또는 주변환경에서 발생하는 불규칙한 에너지로부터 전력을 생산 및 사용하도록 지원하는 에너지 시스템이다.
에너지 하베스팅 시스템(100)의 확대도를 참고하면, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 태양전지(110), 열 전달층(120) 및 열전소자(130)를 포함하고, 열전소자(130)가 기판(131), 제1 전극(132), 제2 전극(133) 및 열전채널(134)로 구성되는 것을 예시한다.
일례로, 태양전지(110)는 입사되는 태양광에 기반하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
태양전지(110)는 실리콘(Si) 태양전지, 염료감응형 태양전지, 단결정 태양전지, 다결정 태양전지 및 박막 태양전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
즉, 태양전지(110)는 실리콘(Si) 태양전지, 염료감응형 , 단결정 태양전지, 다결정 태양전지 및 박막 태양전지 등 다양한 종류의 태양전지가 이용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열 전달층(120)은 태양전지(110)에서 태양광이 입사하는 상면의 적어도 하나의 모서리 부분에 형성된다.
일례로, 열 전달층(120)은 BN(boron nitride), rGO(reduced graphene oxide), AlN(aluminum nitride), SiC(silicon carbide), BeO(beryllium oxide) 및 CB(carbon black) 중 적어도 하나의 열전도 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
즉, 열 전달층(120)은 태양전지(110)로부터 열전소자(130)의 제1 전극(132)으로 열을 잘 전달하기 위해 열전도도가 높고, 태양전지(110)에서 열전소자(130)의 제1 전극(132)으로의 전류 흐름을 억제하기 위해 전기전도도가 낮은 카본 나노 구조체 등의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열 전달층(120)은 적어도 하나의 열전도 물질에 기반하여 태양전지(110)로부터 제1 전극(132)으로의 열전도가 원활하도록 열전도도를 제어하고, 태양전지(110)로부터 제1 전극(132)으로의 전류 흐름을 제어할 수 있다.
즉, 열 전달층(120)은 태양전지(110)와 열전소자(130) 사이에 코팅되어 태양전지(110)에서 열전소자(130)의 제1 전극(132)으로의 열 전달을 원활하게 하고, 전류 흐름을 억제하기 위해 높은 열전도도와 낮은 전기전도도의 물질을 이용하여 형성된다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(130)는 제1 전극(132), 제2 전극(133) 및 제1 전극(132)과 제2 전극(133) 사이에 위치하는 열전채널(134)을 포함한다.
열전소자(130)는 제1 전극(132)이 열 전달층(120) 상에 위치하여 태양전지(110)와 수평으로 배치되는 수평 구조를 이룬다.
열전소자(130)는 태양광에 기반한 태양전지(110)의 열이 열 전달층(120)을 통해 제1 전극(132)에 전달되어 제1 전극(132)의 온도가 증가하고, 증가된 온도와 제2 전극(133)의 온도 간의 온도 차이에 기반하여 추가 전기에너지를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 태양전지와 열전소자에서 동시에 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜 에너지 하베스팅 시스템의 발전 성능을 향상시키면서 생성된 전기에너지가 즉시 사용될 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
예를 들어, 열 전달층(120)을 통해 태양전지(110)의 열이 전도되는 제1 전극(132)은 열(hot)전극일 수 있고, 태양전지(110)의 열이 전도되지 않는 제2 전극(133)은 냉(cold)전극일 수 있다.
여기서, 열 흐름(140)은 태양전지(110)에서 열 전달층(120)을 통해 열전소자(130)의 제1 전극(132)으로 열이 전달되는 흐름을 예시한다.
일례로, 제1 전극(132) 및 제2 전극(133)은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 열전채널(134)은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전채널(134)은 합성 물질에 기반하여 p 채널과 n 채널을 포함하도록 형성되고, p 채널 및 n 채널 중 어느 하나의 채널이 상기 제1 전극(132)에 연결되며, p 채널 및 n 채널 중 나머지 하나의 채널이 제2 전극(133)에 연결될 수 있다.
일례로, 열전소자(130)는 기판(131)을 포함하고, 기판(131)은 PES(polyether sulfone), PI(polyimide), CPI(colorless polyimide) 및 PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나의 폴리머 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 기판은 적어도 하나의 폴리머 물질에 기반하여 태양광으로부터의 열이 열전소자에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
즉, 기판은 태양광이 입사됨에 따라 발생되는 열이 제1 전극(132), 제2 전극(133) 및 열전채널(134)에 전달되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 에너지 하베스팅 시스템(100)은 태양전지(110)의 모서리 부분에만 열전달층(120)이 형성되고, 열전달층(120) 상에 태양전지(110)와 수평으로 배치되는 수평 구조로 열전소자(130)가 형성됨에 따라 태양전지(110)와 열전소자(130)가 수평 구조를 이룰 수 있다.
따라서, 본 발명은 태양전지에 열전소자를 적용하여 공간 활용도를 극대화하고 태양전지를 통한 전기에너지 생성 및 태양전지의 열을 이용하여 열전소자의 전기에너지를 추가적으로 생성할 수 있다.
또한, 본 발명은 태양전지 상에 열전소자를 수평 구조로 형성함에 따라 태양전지의 최소 공간만을 활용하여 태양전지의 전기에너지 생산 성능을 유지하면서 전기에너지 생산량을 증가시키는 공간 활용도를 제공할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 다양한 구조를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 태양전지와 사각형 구조의 열전소자가 결합된 구조를 예시한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지(210) 상에 열 전달층(220)이 형성되고, 열 전달층(220) 상에 열전소자(230)가 형성되어 태양전지(210)의 전기에너지 생산과 열전소자(230)의 전기에너지 생산이 함께 수행되는 입체 구조의 에너지 하베스팅 시스템(200)을 예시한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)은 태양전지(210), 열 전달층(220) 및 열전소자(230)로 구성되고, 태양전지(210), 열 전달층(220) 및 열전소자(230)가 겹쳐지는 구조를 가진다.
일례로, 열전소자(230)는 열 전달층(220)이 태양전지(210)의 상면에서 네 모서리 부분에 형성된 경우, 사각형 구조에 기반한 수평 구조를 가질 수 있다.
열전소자(230)는 태양전지(210)에 태양광이 입사되는 부분 중 열 전달층(220)이 형성된 모서리 부분에만 결합되는 수평 구조를 가지고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 태양전지와 직선형 구조의 열전소자가 결합된 구조를 예시한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지(310) 상에 열 전달층(320)이 형성되고, 열 전달층(320) 상에 열전소자(330)가 형성되어 태양전지(310)의 전기에너지 생산과 열전소자(330)의 전기에너지 생산이 함께 수행되는 입체 구조의 에너지 하베스팅 시스템(300)을 예시한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(300)은 태양전지(310), 열 전달층(320) 및 열전소자(330)로 구성되고, 태양전지(310), 열 전달층(320) 및 열전소자(330)가 겹쳐지는 구조를 가진다.
일례로, 열전소자(330)는 열 전달층(320)이 태양전지(310)의 상면에서 하나의 모서리 부분에 형성된 경우, 띠 형태의 직선형 구조에 기반한 상기 수평 구조를 가질 수 있다.
열전소자(330)는 태양전지(310)에 태양광이 입사되는 부분 중 열 전달층(320)이 형성된 일부 모서리 부분에만 결합되는 수평 구조를 가지고 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자는 사각형 구조 및 직선형 구조 중 어느 하나의 구조에 기반하여 태양전지에 태양광이 입사되는 부분 중 적어도 하나의 모서리 부분에만 결합되는 수평 구조를 이룬다.
따라서, 본 발명은 반도체 공정기술을 이용하여 제작된 수평 구조의 열전소자의 크기가 태양전지에 비해 작은 영역을 소모함에 따라 추가적인 공간 소모 없이 전기에너지의 생산량을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 태양전지와 열전소자의 수평 구조에 기반하여 태양전지의 전기에너지 생산 효율성을 확보하면서, 태양전지로부터 열전소자까지 높은 열전도도를 확보하여 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지와 열전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템의 수평 구조를 설명하는 도면이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지(410)와 열전소자(430)는 열 전달층(420)의 형성 부분만큼 중복되는 영역이 존재한다.
일례로, 중복되는 영역은 0.1mm의 크기를 가지는데, 태양전지(410)의 너비(411)가 1cm라고 가정할 경우, 태양전지(410)에서 중복되는 영역의 비율은 1/100으로 볼 수 있다.
즉, 열전소자(430)는 태양전지(410)와 수평 구조로 제작되어 태양전지(410)의 최소 공간만을 활용할 수 있다.
한편, 열 전달층(420)의 형성 부분에는 열전소자(430)의 제1 전극이 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 태양전지(410)는 수평 구조에 기반하여 적어도 하나의 모서리 부분을 통해 태양전지(410)의 열을 열전소자(430)의 제1 전극으로 방출하면서 적어도 하나의 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에 태양광이 입사되어 전기에너지를 생성함에 따라 태양전지(410)의 효율이 증가될 수 있다.
예를 들어, 태양전지(410)는 열전소자(430)와의 수평 구조에 기반하여 적어도 하나의 모서리 부분을 통해 태양전지(410)의 열을 열전소자(430)의 제1 전극으로 방출하면서 적어도 하나의 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에 태양광이 입사되어 태양전지(410)의 하부에 열전소자가 형성되는 종래의 수직구조에 대비하여 전기에너지의 생산량이 증가될 수 있다.
일례로, 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지(410)의 공간 활용도를 극대화하여 태양전지(410)의 효율 저하는 방지하고, 태양광을 이용하여 태양전지(410)와 열전소자(430)에서 동시에 전기에너지를 생성할 수 있다.
즉, 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지(410)에 의해 생성된 전기에너지와 열전소자(430)에서 생성된 추가 전기에너지를 결합한 전기에너지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지(410) 상면 모서리에 열전달층(420)을 코팅하여 제작된 열전소자(430)를 태양전지(410)와 접합하여 융합소자로서 제작될 수 있다.
한편, 에너지 하베스팅 시스템 제작을 위해 사각형 구조 및 띠 구조 등의 열전소자(430)는 태양전지(410)에 코팅된 열전달층(420)과 바로 접합하거나 필요시 열전채널을 제외한 기판 내부를 커팅 공정을 통해 제거 후 접합 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 웨어러블 디바이스, 무전원 센서, 일상생활 기기 및 산업용 기기 등에 적용되어 제품 수명과 동작 시간을 연장하면서 자연계의 에너지를 활용하여 일상생활 기기 및 산업용 기기까지 다양한 분야에서 핵심 전원 공급 역할을 수행할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 4차 산업 및 웨어러블 디바이스에 적용되어 다양한 사회 및 문화적 혁신 창출이 가능함에 따라 에너지 위기 극복에 일조하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자의 구조를 예시한다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자(500)는 기판(501), 제1 전극(502), 제2 전극(503) 및 열전채널(504)로 구성된다.
일례로, 열전소자(500)는 제1 전극(502)을 열전극으로 포함하고, 제2 전극(503)을 냉전극으로 포함하고, 열전채널(504)은 나노입자 박막으로 p채널과 n채널을 포함한다.
열전소자(500)는 제1 전극(502)과 제2 전극(503) 사이에서 발생하는 온도 차이를 이용하여 열전전압을 추가 전기 에너지로 생성할 수 있다.
기판(501), 제1 전극(502), 제2 전극(503) 및 열전채널(504)의 형성 물질은 도 1에서 설명된 내용과 동일하다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열전소자(500)는 작은 면적안에 다수의 pn 어레이 형성이 가능하므로 미소 열에너지로도 전기에너지 생성이 가능하다.
또한, 열전소자(500)는 공간효율성이 뛰어나고 집적도가 높은 에너지 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 열전소자(500)는 태양전지와 수평 구조임에 따라 수직적인 구조에서 태양전지 하부에서의 열 방출 문제에 따른 태양전지의 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 온도 분포 측정 결과를 설명하는 도면이다.
도 6을 참고하면, 온도 분포 측정 결과를 나타내는 이미지(600)는 태양전지에서의 열(601)이 열 전달층을 통해 제1 전극이 위치하는 지점(602)으로 전도되어 제2 전극이 위치하는 지점(603)과 온도 차이가 발생됨을 나타낸다.
이미지(600)에 따르면 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지와 열전소자 사이에 열전달층이 코팅되어, 태양전지의 효율은 유지하면서 열전소자로의 열전달이 원활하게 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지의 출력은 유지하면서, 태양전지의 열을 열전소자로 전달하여 추가적인 에너지 생산이 가능하다.
예를 들어, 지점(602)에서 측정된 온도는 90.1℃이고, 지점(603)에서 측정된 온도는 84.2℃일 수 있다.
따라서, 에너지 하베스팅 시스템은 태양전지와 열전소자 사이에 코팅된 열전달층을 통하여 추가적인 열원 없이 태양전지에서의 열을 열전소자의 제1 전극으로 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 열전소자에서 태양광의 세기에 따른 온도 차이 특성을 설명하는 도면이다.
도 7의 그래프(700)를 참고하면, 태양광 세기에 해당하는 파워 변화에 따른 제1 전극과 제2 전극 양단의 온도 차이의 변화를 예시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 입사되는 태양광 세기에 해당하는 파워 변화에 따른 제1 전극과 제2 전극에서 측정되는 온도와 측정된 온도들 간의 온도 차이는 하기 표 1과 같이 정리할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극은 열전달층을 통해 태양전지로부터 열을 전달 받아서 온도가 상승하는 열(hot)전극에 해당하고, 제2 전극은 제1 전극과 열전채널을 공유하고, 태양전지로부터 열을 전달 받지 않아서 상대적으로 온도가 낮은 냉(cold)전극에 해당할 수 있다.
[표 1]
표 1을 참고하면, 태양광 세기가 증가할수록 제1 전극과 제2 전극 간의 온도 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
태양전지는 태양광 세기가 증가될 수 록 전기에너지의 생산량이 증가되고, 열전소자는 제1 전극과 제2 전극 간의 온도 차이가 증가될 수 록 전기에너지의 생산량이 증가될 수 있다.
일례로, 열전소자는 태양광의 세기의 변화에 따라 제1 전극과 제2 전극 간의 온도 차이가 변화될 수 있다.
일례로, 열전소자는 태양광의 세기가 300W 내지 1000W 인 경우, 온도 차이가 2.4℃ 내지 5.9℃로 측정될 수 있다.
한편, 열전소자는 태양광의 세기 증가 및 열전소자의 채널 길이 증가를 통해 온도 차이가 증가될 수 있다.
즉, 열전소자는 태양광의 세기가 증가하거나 채널 길이가 증가한 경우 5.9℃보다 증가된 온도 차이가 측정될 수 있음에 따라 상술한 온도 차이의 범위에 온도 차이가 국한되지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명은 태양전지와 열전소자의 수평 구조에 기반하여 태양전지의 전기에너지 생산 효율성을 확보하면서, 태양전지로부터 열전소자까지 높은 열전도도를 확보하여 에너지 하베스팅 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 에너지 하베스팅 시스템
110: 태양전지
120: 열 전달층 130: 열전소자
131: 기판 132: 제1 전극
133: 제2 전극 134: 열전채널
140: 열 흐름
120: 열 전달층 130: 열전소자
131: 기판 132: 제1 전극
133: 제2 전극 134: 열전채널
140: 열 흐름
Claims (13)
- 태양광에 기반하여 전기에너지를 생성하는 태양전지;
상기 태양전지에서 상기 태양광이 입사하는 상면의 적어도 하나의 모서리 부분에 형성되는 열 전달층; 및
제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 열전채널을 포함하고, 상기 제1 전극이 상기 열 전달층 상에 위치하여 상기 태양전지와 수평으로 배치되는 수평 구조를 가지며, 상기 태양광에 기반한 상기 태양전지의 열이 상기 열 전달층을 통해 상기 제1 전극에 전달되어 상기 제1전극 및 상기 제2 전극의 온도 간의 온도 차이에 기반하여 추가 전기에너지를 생성하는 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열전소자는 상기 열 전달층이 상기 상면에서 네 모서리 부분에 형성된 경우, 사각형 구조에 기반한 상기 수평 구조를 가지고, 상기 열 전달층이 상기 상면에서 하나의 모서리 부분에 형성된 경우, 띠 형태의 직선형 구조에 기반한 상기 수평 구조를 가지는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 열전소자는 상기 사각형 구조 및 상기 직선형 구조 중 어느 하나의 구조에 기반하여 상기 태양전지에 상기 태양광이 입사되는 부분 중 상기 적어도 하나의 모서리 부분에 결합되는 상기 수평 구조를 이루는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 태양전지는 상기 수평 구조에 기반하여 상기 적어도 하나의 모서리 부분을 통해 상기 태양전지의 열을 상기 제1 전극으로 방출하면서 상기 적어도 하나의 모서리 부분을 제외한 나머지 부분에 상기 태양광이 입사되어 상기 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Au, Al, Pt, Ag, Ti 및 W 중 어느 하나의 금속 물질로 형성되고,
상기 열전채널은 Ag2Te, Ag2Se, Cu2Se, Cu2Te, HgTe, HgSe, Bi2Te3, BiSeTe, BiSbTe, Ti3C2, Mo2C, Mo2Ti2C3, MoS2 및 WS2 중 어느 하나의 합성된 나노입자 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 열전채널은 상기 합성 물질에 기반하여 p 채널과 n 채널을 포함하고, 상기 p 채널 및 상기 n 채널 중 어느 하나의 채널이 상기 제1 전극에 연결되며, 상기 p 채널 및 상기 n 채널 중 나머지 하나의 채널이 상기 제2 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 태양전지는 실리콘(Si) 태양전지, 염료감응형 태양전지, 단결정 태양전지, 다결정 태양전지 및 박막 태양전지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열 전달층은 BN(boron nitride), rGO(reduced graphene oxide), AlN(aluminum nitride), SiC(silicon carbide), BeO(beryllium oxide) 및 CB(carbon black) 중 적어도 하나의 열전도 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 열 전달층은 상기 적어도 하나의 열전도 물질에 기반하여 상기 태양전지로부터 상기 제1 전극으로의 열전도가 원활하도록 열전도도를 제어하고, 상기 태양전지로부터 상기 제1 전극으로의 전류 흐름을 제어하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열전소자는 기판을 더포함하고,
상기 기판은 PES(polyether sulfone), PI(polyimide), CPI(colorless polyimide) 및 PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나의 폴리머 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 기판은 상기 적어도 하나의 폴리머 물질에 기반하여 상기 태양광으로부터의 열이 상기 열전소자에 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열전소자는 상기 태양광의 세기의 변화에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 온도 차이가 변화되고, 상기 태양광의 세기 증가 및 열전소자의 채널 길이 증가를 통해 상기 온도 차이가 증가하는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 열전소자는 상기 태양광의 세기가 300W 내지 1000W 인 경우, 상기 온도 차이가 2.4℃ 내지 5.9℃로 측정되는 것을 특징으로 하는
에너지 하베스팅 시스템.
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