ARTICLE 태양전지와압전재료를이용한하이브리드발전시스템개발 김영민 * Ahmed Rahate ** Zeeshan ** 천원기 *** *** 제주대학교에너지공학과, 연구교수 *** 제주대학교에너지공학과, 석사과정 *** 제주대학교에너지공학과, 교수 Development of a Hybrid Power Generation System Using Photovoltaic Cells and Piezoelectric Materials Kim Yeongmin * Ahmed Rahate ** Zeeshan ** Chun Wongee *** *** Department of Nuclear and Energy Engineering, Jeju National University, Research Professor *** Department of Nuclear and Energy Engineering, Jeju National University, Master Course *** Department of Nuclear and Energy Engineering, Jeju National University, Professor Corresponding author: wgchun@jejunu.ac.kr OPEN ACCESS Journal of the Korean Solar Energy Society Vol.39, No.1, pp.51-58, February 2019 https://doi.org/10.7836/kses.2019.39.1.051 pissn : 1598-6411 eissn : 2508-3562 Received: 31 December 2018 Revised: 17 January 2019 Accepted: 26 January 2019 Copyright C Korean Solar Energy Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution NonCommercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract This paper deals with the operation of a hybrid power generation system made with photovoltaic cells and piezoelectric materials. The system can produce power from the wind as well as from the sun subject to their availability. Irrespective of the largeness of their power production, the power developed by both generators (i.e., phtovoltaic cells and piezoelectric cells) were combined and stored before it was applied to a load. Especially, the AC power (current) developed from each piezoelectric generator was converted by a full wave bridge rectifier and then combined prior to its storage in a capacitor. It was observed that the system can produce a maximum output power of 6.49 mw at loading resistance of 100 Ω. Keywords: 태양전지 (Photovoltaic cell), 압전물질 (Piezoelectric material), 하이브리드시스템 (Hybrid system), 에너지하베스팅 (Energy harvesting) 1. 서론 산업사회의발달과인구증가등에따른지구온난화, 미세먼지의증가, 산성비, 전력사 용량급증등의문제는인류생활에중대한영향을주고있다. 전세계적으로이러한문제 점에대응하고자여러가지의방안을지속적으로연구하고있으며그중대체에너지의개 발및활용방안에대한연구가꾸준히증가하고있다. 특히지속적인개발로인하여주변 환경에피해를주는사례가발생하고있으며이러한문제로인하여지역간및주민들과의 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019 51
한국태양에너지학회논문집 불화가발생되고있다. 따라서대체에너지를활용하기위해서는무엇보다주변환경에대한피해를최소화하는것을우선으로고려해야한다. 우리주변에는태양및바람, 파도, 진동등대체에너지원으로활용할수있는자원들이상존한다. 그러나활용방안등의문제로인하여자연적으로흩어져버려지고있다. 에너지하베스팅 (Energy harvesting) 은이러한에너지원을회수하여활용하는방식을말하며에너지스카벤징 (Energy scavenging) 이라고도불린다 1). 태양전지와압전재료를이용한에너지하베스팅역시이러한기술의일부로서주변에상존하지만자연적으로흩어져버려지는에너지를활용하는데중요한역할을할수있을것으로생각된다. 태양전지는광전효과를이용하여광자에너지를전기에너지로변환하도록고안되었다 2,3). 압전효과의경우작은기계적힘을이용하여전력생산이가능하며에너지효율을높이기위해태양전지와압전효과를연계하여활용할수있는형태의장치가연구되고있다 4,5). Oh S. J. 6) 는두가지의압전재료를이용하여나무형풍력발전시스템을설계및제작하고전력을생산하는방법을고안하였다. 압전재료중하나인 PVDF(polymer polyvinylidene fluoride) 를나뭇잎에부착하고다른하나인 PZT[pb(Zr,Ti)O 3 ] 를뿌리부분에부착하는방법으로이러한방법은풍력에대한의존도가높고뿌리부분에부착된 PZT 의경우실제로적용하게되면활용도가떨어진다. 따라서한종류의에너지원에대한의존도를줄일수있고적용성에서도우수한발전시스템개발이필요하다. 본논문에서는태양전지와압전필름을이용하여에너지하베스팅의한방법으로주변에서활용되지않았던태양광과풍력에너지로부터전력을생산할수있는하이브리드발전시스템의프로토타입을제작하고가능성을평가하고자한다. 2. 구성요소및제작 2.1 압전필름및태양전지의사양및특징본연구에서사용된압전필름은 LDT4-028K/L로서압전필름센서를전문적으로생산하는업체인 Measurement Specialities Inc. 제품이다. 이제품은폴리에스테르로된얇은보호막이압전필름을싸고있는형태이다. 중심축이압전필름안에있지않고보호막안에있기때문에힘을가했을때보호막이없는압전필름보다더높은전압을낼수있다. Table 1과 Fig. 1은각각압전필름의구조및사양을보여준다. Table 1 Specification of the Piezo film Film Thickness(µm) Film Electrode Film Electrode Total Thickness(µm) Cap( nf ) 28 22 19 171 156 157 11 52 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019
태양전지와압전재료를이용한하이브리드발전시스템개발 _ 김영민외 Fig. 1 Structure of a Piezo film 7) 또한연구에사용된태양전지는 Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. 의제품으로단결정인 Monocrystalline 과다결정인 Polycrystalline 으로모듈이구성되며순수한결정질실리콘으로제작되었다. 태양전지 의면적은 77 cm 2 (5.5 cm 14 cm) 이고약 3 볼트의단락전압과약 0.37 A 의전류를생성한다. 2.2 하이브리드발전시스템제작본연구는앞서소개한태양전지판과압전필름을효율적으로연계하여에너지하베스팅을하는데목적이있다. 한개의압전필름에서생산되는출력이미미한만큼이를효율적으로적용할수있는시스템을설계하는것과태양전지판을어떻게연계하는것이효율적인지우선적으로고려되어야한다. 본연구에서는나뭇잎에두가지의발전시스템을적용하는것이효율적이라고판단되어나무형의하이브리드발전시스템을설계및제작하였다. Fig. 2 Photovoltaic cell (a) and piezo film (b) attached on the front and back side of a leaf, respectively Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019 53
한국태양에너지학회논문집 태양전지판의경우태양광을최대한이용하기위하여나뭇잎의위쪽에부착하였으며압전필름의경우는나뭇잎아래쪽에부착하였다. Fig. 2는본연구에서제작한인공나무의나뭇잎에부착된태양전지판과압전필름을보여준다. 하이브리드발전시스템은 3개의태양전지와 10개의압전필름이부착된잎으로구성되며전선의경우나무줄기안쪽으로삽입하여나무하단에설치된전자회로로연결된다. Fig. 3은하이브리드발전시스템의프로토타입을보여준다. Fig. 3 Prototype hybrid generator 1) 3. 실험방법및결과 3.1 실험방법 Fig. 4 Circuit for the integration of power out of the system 54 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019
태양전지와압전재료를이용한하이브리드발전시스템개발 _ 김영민외 본실험을위해 Fig. 3에서보는바와같이선풍기를사용하여인공바람을만들었으며태양광의경우실내조명으로대체하였다. 인공바람의경우풍속은약 7m/s이며실내조명의조도는약 700lux로측정되었다. 발전기출력은 AC로브리지정류기를통과하여축전기에일시적으로저장된다. DC로출력되는태양전지는바로축전기로저장된다. Fig. 4는본실험의회로도를보여준다. 3.2 실험결과 (1) 압전필름의기본출력본실험에앞서단일압전필름에대한출력을측정하였다. Fig. 5는브리지정류기를통과하기전의 AC 출력을보여주며 Fig. 6은브리지정류기를통과하여 DC로전환된출력을보여준다. 단일압전필름에서최대개방회로전압 (V oc ) 은약 1.4 V로측정되었다. Fig. 5 Output wave patterns of a single piezo film - AC Fig. 6 Output wave patterns of a single piezo film - DC Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019 55
한국태양에너지학회논문집 (2) 압전필름의총출력압전필름의총출력은 10개의압전필름을직렬로연결하여측정하였다. 동일조건을위해서선풍기에서발생하는바람을일정하게유지하여압전필름에가해지는풍력에너지를일정하게하였다. 10개의압전필름의최대개방회로전압은약 4.8 V로측정되었으며최대단락회로전류는약 12 µa로측정되었다. Figs. 7과 8은각각의압전필름의출력파형을보여준다. Fig. 7 Combined output wave patterns of a piezo film - V oc Fig. 8 Combined output wave patterns of a piezo film - I sc (3) 나무형하이브리드발전시스템의총출력태양전지의출력은태양광의조도에따라변화한다. 일정한조건을위하여실험기간중조도계를이용하여작업면에서조도를측정하였으며약 700 lux로일정하게유지하였다. 태양전지에서생산된출력은정류되어압전필름의출력과합산되었다. 하이브리드발전시스템의최대개방회로전압은약 5 V로측정되었으며, 최대단락회로전류는약 1.2 ma로측정되었다. Fig. 9는하이브리드발전시스템의개방회로전압을보여주며 Fig. 10은단락회로전류를보여준다. 56 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019
태양전지와압전재료를이용한하이브리드발전시스템개발 _ 김영민외 Fig. 9 Output wave patterns of the hybrid system - V oc Fig. 10 Output wave patterns of the hybrid system - I sc 4. 결론본연구에서는태양전지와압전재료를이용하여소규모의하이브리드발전기를제작하고그성능을테스트하였다. 압전필름의경우총 10개가사용되었으며최대개방회로전압은약 4.8 V로측정되었다. 태양전지의경우총 3개가사용되었으며최대개방회로전압은약 5 V로측정되었다. 압전필름이보다더많은수를사용했음에도불구하고출력을비교하였을때태양전지보다작게측정되었다. 이는압전필름의전류가태양전지보다매우낮기때문이다. 그러나압전필름의경우태양전지보다면적이적고적용성이우수하기때문에다양한방법으로적용할수있을것으로사료된다. 또한전류와비교하여전압은높게측정되므로다른발전장치와연계하였을경우보다높은출력을얻을수있을것으로사료된다. 본연구의하이브리드발전기의경우실험실스케일로서소규모로제작되었으나실제규모에적용하였을경우보다큰출력을얻을수있을것으로사료된다. 후기 본연구는한국연구재단기초연구사업의연구비지원으로수행되었음 ( 과제번호 : 2017R1A2A1A0-5001461, 2018R1A2B2008542). Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 39, No. 1, 2019 57
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