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하은 동
6 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 8, pp , 2009 태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 김홍일 1* 1 대진대학교컴퓨터공학과 A development of an independent electric power generating portable flashlight by using solar battery Hong-il Kim 1* 1 Dept. of Computer engineering, Daejin University 요약본연구는태양광과자가발전을이용한휴대가능한손전등기술로서전기를사용할수없는극한상황에서수동으로자가발전을할수있도록구성하였다. 주간에는태양전지를이용하여배터리를충전시키고, 태양광을이용할수없는경우에는손잡이를회전하여전기를발전시켜배터리를충전하도록구성하였다. 빛의밝기를개선하기위해광학렌즈를이용하여빛을집광시켜빛의밝기를개선하며, 저소비전력회로를구성하여램프방전시, 소비전력을억제하여장기간사용이가능하도록하였다. 배터리충전및외부휴대용기기를충전하기위한안정적인정전압 / 정전류회로를구성하여안정적인충전이이루어지도록하였다. 배터리장기간사용하지않는경우, 배터리의과방전이이루어지지않도록과방전회로를구성하고, 과충전이이루어지지않도록보호회로를장착하였다. 또한가정용아답터를이용하여상시충전이가능하도록하였다. 이와같은결과로자가발전손전등을구현하였으며, 평상시주간에는태양광으로충전이가능하며, 또한가정용사용전원으로충전이가능하도록구현하였다. 그리고광학렌즈기술을적용하여빛의밝기가극대화되어원거리조사기능이가능하며, 야간에도독서가가능한백색자연광을발산하도록구현하였다. Abstract In this study, a portable flashlight which can manually generate the electricity by using sunlight was developed so that it can be used in the extreme environmental condition such as no-electricity condition. Battery is charged by using solar battery during the day, but when sunlight is not avalible during the night or rainy day, a handle is rotated to generate the electricity in order to charge the battery manually. To improve the brightness of the light, light is concentrated by using the optical lens. Low electric consumption circuit is used for the longer operating time by suppress electrical consumption while lamp is discharged. A circuit is designed and used for steady electrical curris dand voltage to insure steady battery charging. Super-discharge circuit and protection circuit are used for the super discharge of battery when it is not used for a long time. Also the constant charge is possible by using houseware adapter. As a result, a portable flashlight is designed to charge with sunlight during day, and with houseware adapter during night. A portable flashlight is also designed to irradiate longer distances by improvement of the brightness of the light using the optical lens. Thus, it forms white natural ray of light making possible for night reading. Key Words : Portable flashlight, Sunlight, Solar battery, Optical lens, Low electric consumption circuit 1. 서론 그린에너지, 즉신재생에너지란태양에너지, 풍력, 연료전지, 바이오에너지등온실가스를배출하지않는청정 에너지원을말한다 [1]. 전체에너지중신재생에너지비중은 2004년 13% 수준에불과하지만환경위기에대한세계적인공감대형성과교토의정서등국가간협약, 정부차원의적극적지원등에힘입어신재생에너지는꾸준 * 교신저자 : 김홍일 (hikim@daejin.ac.kr) 접수일 09 년 05 월 25 일수정일 (1 차 09 년 08 월 07 일, 2 차 09 년 08 월 17 일 ) 게재확정일 09 년 08 월 19 일 1795

2 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 히성장하고있다 [2]. 유럽신재생에너지협회의전망에따르면 2001년부터 2020년까지전체에너지중신재생에너지의비중은 2001년 19% 수준에서 2020년 35% 수준까지빠르게증가할것으로전망되고있다. 이전망에따르면전체재생에너지량은 2020년에는 2001년의 3배수준에이르러같은기간약 1.7배증가할것으로예상되는전체에너지소비량증가율을크게상회할전망이다 [3]. 정부는제 2차신재생에너지기본계획을제시하고 2012년까지원자력발전기 1기규모의발전량에해당하는 1.3GW 전력을태양광으로발전한다는계획을가지고태양전지효율을높이고시스템단가를낮추는등구체적인로드맵을제시하고있다 [4]. 정부는 2012년까지세계태양전지시장의 10%, 즉시장규모 3조원의태양광시장을형성하겠다는목표이다. 그중요성으로보면계속사용해도고갈되지않는무한정의영구적인에너지이다. 독일기후변화협의회에서나온조사치에의하면태양에너지자원량은현재전세계에너지소요량대비 2,850배에이르는것으로조사되고있다. 풍력, 바이오매스등은각 200배, 20배정도의규모이다 [5]. 그리고환경오염이없는무공해에너지이다. 태양에너지는석탄화력발전대비약 240gcarbon/kWh이절감가능하다 [6]. 또한규모나지역에관계없이설치할수있고유지비용이거의들지않는다. 태양열발전의경우소규모시스템에서는경제성이떨어지고, 풍력, 해수력발전은발전단위는크지만지형환경에따른제약이크다. 수소력은폭발위험등이존재해확산이쉽지않은상황이다 [7]. 반면태양광시스템은어느지역에나설치할수있고규모에따른경제성손실도적으며유지비용도거의들지않는다. 태양광에너지는석유나석탄등의에너지와는달리영구적인사용이가능한에너지이다. 또한소음이나이산화탄소의배출이없고 25년의수명을보장하므로반영구적사용이가능하다 [8]. 그리고대체에너지로서가장각광받고있는태양에너지의핵심이라할수있는고효율의솔라시스템의용도는전기를사용하는모든곳에사용되며전기가갈수없는곳까지도사용이가능한고부가가치의첨단제품이다 [9]. 그리고국내외에서태양전지를이용한자가발전손전등분야의연구개발동향은빛의밝기를개선하기위해광학렌즈를이용하여빛을집광시켜빛의밝기를개선하며, 저소비전력회로를구성하여램프방전시, 소비전력을억제하여장기간사용이가능하도록하며, 배터리충전및외부휴대용기기를충전하기위한안정적인정전압 / 정전류회로를구성하는분야에연구개발이많이진행되고있다. 그러므로본연구에서는태양광과자가발전을이용한휴대가능한손전등기술로서, 친환경적이며기존손전등 에서사용하고있는클립톤전구를대신하여고휘도 LED를사용하고이를구동하는저소비전력소자를이용하여제품을구현함으로인해, 장기간사용이가능하며, 광학렌즈기술을이용하여빛의발산효율을극대화한자가발전손전등을개발하고자한다. 또한전기를사용할수없는극한상황에서수동으로자가발전을한다든가, 주간에태양열을이용하여충전하므로인해배터리의교환이불필요한자가발전시스템을개발하고자한다. 2. 시스템구성 2.1 자가발전손전등시스템 원칩마이컴 ATMEGA8L로서 PWM 변조를행하여 DC-DC 컨버터를구현하고, 태양전지의전력을최상으로뽑아내도록하였다. 실험실내에서는결과값을 RS-232C 를통해 PC에서모니터링하도록하였다. 태양전지충전과는별개로자가발전충전과외부아답터를이용한충전회로를구현하고배터리에있어최소의방전을행하도록하여고휘도 LED가장기간사용하도록회로를구현하였다. 그림1과그림2는자가발전손전등의시스템구성도를나타낸다. 하드웨어시스템은그림 1과같이태양광으로부터전기를발생하는태양전지 (Solar Cell), 솔라셀의전류및전압을상승시키는 DC-DC 변환부, 배터리부, 수동회전을통해전기를발생하는발전부 (Hand Spindle Driving 3 Phase Generator), 외부상용전원을수집하기위한 DC-DC 변환부, 정전류 / 정전류정류회로 (constant Current/Voltage Rectifire Circuit), 과충전, 과방전, 역전류돌입방지회로 (Over-Charging & Over-Discharging Protection Circuit),LED의전류를제한하는 Step Up DC-DC Converter, 방전표시등 (Discharging Indicator) 으로구성하고연구개발을수행하였다. [ 표 1] 자가발전손전등시스템사양 항목 사양 태양전지 약 700[mW], 개방전압을 4.5[Vdc], 단결정 태양전지시스템의효율 86[%] 스위칭주파수 16[KHz] 배터리 니켈수소전지 (650[mA], 3.6[Vdc] 동작모드 충전모드, 절전모드 ( 자가발전모드 ) 니켈수소전지의전지잔량을체크하여 충전방식 충전하며, 광량이없으면절전모드로 전환 ( 자가발전모드로전환 ). 방전시출력용량 DC3.6[Vdc], 650[mA] 1796

태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 DC-DC 변환기시스템이 OFF 되도록하여과방전의염려가없도록설계하였다. 니켈-수소배터리충전을위한정전압, 정전류회로를통과한전압의일부는외부리튬 -이온충전을위한 4.2[Vdc] 회로와공통연결이된다. 리튬-이온회로는충전전압 4.2[Vdc] 를만들고이전압은역전류저지회로를통해핸드폰배터리를충전하도록설계되었다.

3 태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 DC-DC 변환기시스템이 OFF 되도록하여과방전의염려가없도록설계하였다. 니켈-수소배터리충전을위한정전압, 정전류회로를통과한전압의일부는외부리튬 -이온충전을위한 4.2[Vdc] 회로와공통연결이된다. 리튬-이온회로는충전전압 4.2[Vdc] 를만들고이전압은역전류저지회로를통해핸드폰배터리를충전하도록설계되었다. [ 그림 1] 시스템구성도 2.2 자가발전충전시스템설계자가발전손전등은자가발전용회전손잡이를회전하여 3상교류발전기의축을약 4,000[rpm] 의속도로회전하면 3상교류가발생한다. 이때발생되는 3상교류를정류기를통해정류하면출력은 15[Vdc]/700[mA] 으로된다. 이전류는완충장치를통하고니켈-수소배터리충전을위한정전압, 정전류회로를통과하여 4.8[Vdc] 니켈-수소배터리로공급된다. 회전손잡이의회전으로인한전류발생이없을시역전류가흐르는것을막기위해, 역전류저지회로를부착하였고, 배터리다음단의고휘도백색 LED를온 / 오프하기위해서버튼스위치를부착하였다. 2.3 자가발전충전기하드웨어시스템설계자가발전손전등의전체하드웨어블록도는그림 3과같으며 3상 AC 발전기, 3상 AC/DC 변환정류기, 완충장치, 4.8[Vdc] 니켈수소배터리충전용정전압, 정전류회로및역전류저지회로, LED 온 / 오프스위치, 4.8Vdc/350mA] 배터리, 과방전금지회로, 승압변환기, 직렬로연결된백색 LED 3개, 리튬-이온충전용배터리충전용정전압회로, 역전류저지회로, 3.6[Vdc]/700 핸드폰충전잭으로구성하고연구개발을수행하였다. [ 그림 3] 자가발전손전등전체블록도 3. 시스템개발결과및고찰 [ 그림 2] 자가발전손전등시스템 1분회전하여충전한전력량으로최소의필요방전을행하기위해서 4.8[Vdc] 를 10.8[Vdc] 로승압하는 DC-DC 변환기를사용하여고휘도백색 LED를구동하며, 직렬연결된 LED에흐르는전류는 15 20[mA] 이다. DC-DC 변환기는자체 ENABLE 및 DISABLE 기능을가지는소자로서배터리의전압이 4.0[Vdc] 이하가되면 DISABLE 하도록과방전회로를부착하여방전종지전압이되면 3.1 자가발전손전등회로그림4는자가발전손전등의전체회로도를나타낸다. 자가발전손전등의회로도는정전압정전류회로, 충전회로, DC-DC 변환기회로, 역전전류방지회로, 광학을적용한빛의집광, 태양전지시스템과상용전원충전시스템, 방전금지회로로구성하였다. 정전압정전류회로를통하여배터리를충전하며, 또한, 외부에휴대폰과같은기기를연결하더라도장애가발생하지않고안정적으로충전되도록충전회로를개발하였다. 그리고단기간충전으로장기간사용할수있도록 DC-DC 변환기기술을개발하여최대의조광효율을갖고장기간배터리가방전하도록하여 LED의점등시간을지속시킬수있도록하였다. 장기간배터리를미사용시에도배터리가자연방전되는것을최대한막는회로 1797

4 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 를부가하여비상시에적절하게운용가능하도록하였다. 는상시배터리에충전이가능하도록구성하였다. 10[cm] 5[cm] 크기의출력전압 3[Vdc], 전류 200[mA] 이상의태양전지판을사용하여이를배터리충전에필요한 4.2[Vdc] 로변환하여 200[mA] 이상으로배터리를상시충전할수있도록하였다. 사용전원을이용하여아답터를이용하여배터리를충전가능하게하였다. 내장된정류및정전압정전류회로로일반가정용 AC-DC(9[Vdc]/200[mA]) 아답터를통해 6시간충전하도록설계하여필요시에충전하여쓰도록하였다. 방전금지회로를설계하고, 종전의 1분충전에 10분점등시간이유지않는것을토대로배터리를 4.8[Vdc]/350[mA] 로변경적용하고, 방전금지회로를추가하고또한국내핸드폰을충전하기위한 4.2[Vdc] 출력단자를제공하도록회로를구성하도록개발하였다. 3.2 자가발전손전등의광학렌즈개발그림 5는자가발전충전기의반평볼록렌즈의상태도로서, 광원부는 3개의 LED 발광소자, 반사판및반평볼록렌즈로이루어져있어, LED 발광소자의점등으로조명기능을행한다. 고휘도백색 LED 발광소자는 3개가직렬연결되고, 분산되는빛을앞으로집광시키는반사판이 LED 발광소자와결합된다. [ 그림 4] 자가발전손전등의전체회로도 Step-Up DC-DC 변환기를사용하여 1.5[Vdc] 4.2[Vdc] 에달하는입력에대해서도 12[Vdc] 의전압을출력시키며적은전력으로서 LED를구동하는구조로구성하였다. 저전력방전기술을도입하여 LED의효율을저하시키지않으면서 LED를구동하게되어단시간의충전으로도장시간방전이가능한구조가가능하였다. 그리고정전압, 정전류회로를통해배터리를충전하며, 과방전이되지않는회로를부착하여가장적은방전이이루어지도록회로를구성하기위해역전전류방지회로로구성하고저전력소자로서회로를구성하여장기간방치하여도배터리가방전되지않도록구현하였다. 또한반평볼록렌즈를 3개사용하여곡률반경에따른집광효율을개선하기위한실험데이터를작성하고 2[M] 거리에서 30[LUX] 이상의효율을발생하는곡률반경데이터를생성하여개발제품에적용할수있도록개발하였다. 태양광을이용하여주간에 [ 그림 5] 자가발전손전등의광학렌즈그림 5에서반평볼록렌즈는임의의곡률반경을가지는렌즈의사이간격을 1[mm] 전후, 직렬로 3개가결합된형태로설치되어, 방사각도가 20[ ] 정도로설정된고휘도백색 LED의세광원이이반평볼록렌즈를거쳐반사와집광의원리인스넬의법칙에의해외부로 2[M] 되는지점에서중첩되며 45[Lux] 의광원과밝은원형촛점 ( 지름 50[Cm] 이상 ) 이구현되었다. 1798

태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 3.3 크립톤전구와 LED의반경과조도손전등전면에부착되어있는 3개의고휘도백색 LED 의밝기를시험하기위하여, ㄱ 자형군용손전등과제작한손전등의조도를비교하였다. 군용손전등의경우, 전력소모가많은클립톤전구를사용하고있다. 늦은저녁실험실의전원을끈상태에서 1M, 2M, 3M 거리에서의조도 (LUX) 와원의반경을관측하였다.

[ 그림 7] 2M 거리에서의조도비교 [ 표 2] 크립톤전구의조도 광원으로부터의거리 1M 2M 3M 물체면의원의크기 ( 직경 mm) 10 20 30 초점의 LUX 초점부터 20Cm 떨어진곳의 LUX Max 248 140 70 Min 150 128 60 Max 3 1 10 Min 3 1 7 [ 그림 8] 3M 거리에서의조도비교 [ 표 3] 고휘도백색

5 태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 3.3 크립톤전구와 LED의반경과조도손전등전면에부착되어있는 3개의고휘도백색 LED 의밝기를시험하기위하여, ㄱ 자형군용손전등과제작한손전등의조도를비교하였다. 군용손전등의경우, 전력소모가많은클립톤전구를사용하고있다. 늦은저녁실험실의전원을끈상태에서 1M, 2M, 3M 거리에서의조도 (LUX) 와원의반경을관측하였다. 실험결과눈으로느끼는밝기 ( 켈빈온도측정법이라고함 ) 는백색 LED가밝았으며, 실절적인조도는켈빈온도가떨어지는군용손전등이높으수치를나타내었다. [ 그림 7] 2M 거리에서의조도비교 [ 표 2] 크립톤전구의조도 광원으로부터의거리 1M 2M 3M 물체면의원의크기 ( 직경 mm) 초점의 LUX 초점부터 20Cm 떨어진곳의 LUX Max Min Max Min [ 그림 8] 3M 거리에서의조도비교 [ 표 3] 고휘도백색 LED의조도 광원으로부터의거리 1M 2M 3M 물체면의원의크기 ( 직경 mm) Max 초점의 LUX Min 태양전지충전전류태양전지에연결하여동작실험을하기전에의사실험전원을구성하여동작을시뮬레이션하였다. 의사전지직류전원을그림 9와같이구성하고전압특성이실물과거의같도록조정하여사용하였다. 초점부터 20Cm 떨어진곳의 LUX Max Min [ 그림 9] 태양전지대용의사직류전원 [ 그림 6] 1M 거리에서의조도비교 그림 10은의사전원을통해얻은듀티대전류로서 40[%] 전후에서만족할만한출력을얻을수있었다. 그림 11은오전 11시에서오후 1시에걸쳐태양전지로부터발생되는전력을측정한것으로시뮬레이션것과유사한결과를얻을수있었다. 그림 12는태양전지로부 1799

한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 터입력되는전력을최대화하는 DC-DC 컨버터의 PWM 신호이다. 실험결과, 과방전금지및저소비전력설계를통해서앞에서서술한것처럼, 초기에설정하였던조건을만족하면서, 마이컴의소비전류는 1.27[mA], 출력전압 :4.2Vdc, 출력전류 200mA, 조도 45LUX(2M) 로서제작초기에설정하였던값과흡사하였다.

6 한국산학기술학회논문지제 10 권제 8 호, 2009 터입력되는전력을최대화하는 DC-DC 컨버터의 PWM 신호이다. 실험결과, 과방전금지및저소비전력설계를통해서앞에서서술한것처럼, 초기에설정하였던조건을만족하면서, 마이컴의소비전류는 1.27[mA], 출력전압 :4.2Vdc, 출력전류 200mA, 조도 45LUX(2M) 로서제작초기에설정하였던값과흡사하였다. 충전전류 [ma] 태양전지의사전원의듀티비대충전전류 듀티비 [%] 일사량 A 일사량 B 일사량 C 일사량 D [ 그림 10] 태양전지대용의사직류전원듀티비대충전전류 측정전류 [ma] 오전 11 시에서오후 1 시사이측정 듀티비 [%] 오전 11 시에서오후 1 시사이측정 [ 그림 11] 태양광량이많을때측정한태양전지의듀티비대충전전류 4. 결론 자가발전손전등시스템을태양광으로부터전기를발생하는태양전지, 솔라셀의전류및전압을상승시키는 DC-DC 변환부, 배터리부, 수동회전을통해전기를발생하는발전부, 외부상용전원을수집하기위한 DC-DC 변환부, 정전류 / 정전류정류회로, 과충전, 과방전, 역전류돌입방지회로, LED의전류를제한하는 Step Up DC-DC Converter, 방전표시등으로구성하고개발하였으며그결과는다음과같다. 1. 정전압정전류회로를통하여배터리를충전하며, 또한, 국내외서최초로외부에휴대폰과같은기기를연결하더라도장애가발생하지않고안정적으로충전되도록충회로가구현되었다. 2. 최대의조광효율을갖고장기간배터리가방전하도록회로를구성함으로써 LED의점등시간을지속시킬수있었다. 그리고국내외서최초로자가발전손전등에 LED조명기술을도입하였다. 3. 저전력방전기술을도입하여 LED의효율을저하시키지않으면서 LED를구동하게되어단시간의충전으로도장시간방전이가능하였다. 4. 정전압, 정전류회로를통해배터리를충전하며, 과방전이되지않는회로를부착하여가장적은방전이이루어지도록회로를구성하기위해역전전류방지회로로구성하고저전력소자로서회로를구성하여장기간방치하여도배터리가방전되지않도록구현되었다. 5. 눈으로느끼는밝기는백색 LED가밝았으며, 실절적인조도는켈빈온도가떨어지는군용손전등이높은수치를나타내었다. 6. 육안으로볼때는 LED가밝으나, LUX( 조도 ) 측정결과는크립톤전구가높은것으로반대의수치를나타내었다. 참고문헌 [ 그림 12] 태양전지시스템의구동듀티신호 [1] 유호천, 장문식, 태양에너지분야의최근연구동향 -2000년 ~2002년학회지논문에대한종합적고찰-, 한국태양에너지학회논문집, 제22권 4호, 12월, [2] 김영환, 조일식, 이의준, 현명택, 강은철, 태양에너지를이용한열-전기동시생산을위한 PV-Solarwall 단위모듈성능평가연구, 한국태양에너지학회논문집, 제25권 3호, 12월, [3] Duffie John A. and Beckman William A., Solar 1800

태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 Engineering of Thermal Process, John Wiley & Sons, Inc., 1991. [4] 조덕기, 강용혁, 국내태양에너지측정데이터의신뢰성평가및보정에관한연구, 한국태양에너지학회논문집, 제25권 3호, 9월, 2005.

7 태양전지를이용한자가발전손전등개발에관한연구 Engineering of Thermal Process, John Wiley & Sons, Inc., [4] 조덕기, 강용혁, 국내태양에너지측정데이터의신뢰성평가및보정에관한연구, 한국태양에너지학회논문집, 제25권 3호, 9월, [5] 이관호, 환경비용을고려한재생에너지의경제성분석, 한국태양에너지학회논문집, 제24권 4호, 12월, [6] Korean Standards Association, 2003, KS air-conditioner: KS C [7] 조덕기, 강용혁, 이의준, 오정무, 국내태양광발전시스템의최적설치에관한연구, 한국태양에너지학회논문집, 제24권 3호, 9월, [8] 조덕기, 강용혁, 이의준, 오정무, 태양광발전단지건설을위한태양광자원정밀조사, 한국태양에너지학회논문집, 제24권 3호, 9월, [9] D. L. King, J. M. Gee et al, Measurement Precautions for High-Resistivity Silicon Solar Cells, IEEE, pp. 555~559, [10] 조덕기, 강용혁, 오정무, 고지대일사량특성분석에관한연구, 한국태양에너지학회논문집, 제23권 3호, 9월, 김홍일 (Hong-il Kim) [ 정회원 ] 1989 년 2 월 : 인하대학교대학원전자계산학과 ( 이학석사 ) 2000 년 2 월 : 홍익대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 현재 : 대진대학교컴퓨터공학과부교수 < 관심분야 > 인터넷응용, IPv6 1801

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1_12-53(김동희)_.hwp 본논문은 2012년전력전자학술대회우수추천논문임 Cascaded BuckBoost 컨버터를 이용한 태양광 모듈 집적형 저전압 배터리 충전 장치 개발 472 강압이 가능한 토폴로지를 이용한 연구도 진행되었지만 제어 알고리즘의 용의성과 구조의 간단함 때문에 BuckBoost 컨버터 또는 Sepic 컨버터를 이용하여 연구 가 진행되었다[10][13]. 태양광 발전