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KR102727134B1 - 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치 - Google Patents

태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치 Download PDF

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KR102727134B1
KR102727134B1 KR1020200126258A KR20200126258A KR102727134B1 KR 102727134 B1 KR102727134 B1 KR 102727134B1 KR 1020200126258 A KR1020200126258 A KR 1020200126258A KR 20200126258 A KR20200126258 A KR 20200126258A KR 102727134 B1 KR102727134 B1 KR 102727134B1
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variable transmittance
controller
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치에 관한 것으로, 태양전지와 결합되어 태양광을 이용하여 전기에너지를 발전하는 투과율 가변 기판, 및 상기 전기에너지를 이용하여 상기 투과율 가변 기판의 투과율을 제어하는 투과율 컨트롤러를 포함한다.

Description

태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치{VARIABLE TRANSMISSIVITY DEVICE WITH PHOTOVOLTAIC GENERATION}
본 발명은 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치에 관한 것이다.
최근에는 커튼 및/또는 블라인드 등의 기구적 차광 장치 대신 전기적인 제어를 통해 투과율을 조정하는 투과율 가변 기술이 각광받고 있다. 투과율 가변 기술은 필름 또는 글라스(glass)에 차광 기능을 하는 물질을 추가하여 사용자가 원하는 만큼 투과율을 변화시킬 수 있는 기술이다.
투과율 가변 기술은 일렉트로크로믹(Electrochromic, EC), 서스펜디드 파티클 디스플레이(Suspended Particle Displays, SPD), 고분자 분산형 액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC) 및 편광 액정(Polarized Liquid Crystal, LC) 방식으로 구분할 수 있다. EC 방식은 화학물질의 전기분해 및 결합을 통해 투과율을 변화시키고, SPD, PDLC 및 LC 방식은 물성의 양 단에 전기장을 가해주면 물성의 위상이 변화하여 빛의 투과율을 변화시킨다. 이러한 투과율 가변 기술들은 전기에너지를 필요로 하므로 별도의 전원 공급원이 필요하다.
본 발명은 투과율 가변 기판에 태양전지를 결합하여 투과율 가변 제어를 수행하며 태양광 발전을 통해 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치는 태양전지와 결합되어 태양광을 이용하여 전기에너지를 발전하는 투과율 가변 기판, 및 상기 전기에너지를 이용하여 상기 투과율 가변 기판의 투과율을 제어하는 투과율 컨트롤러를 포함한다.
상기 투과율 가변 기판은, 폴리실리콘 태양전지, 박막형 태양전지 및 염료감응형 태양전지 중 적어도 하나와 결합된다.
상기 투과율 가변 기판은, 폴리실리콘 또는 박막형 태양전지에 의한 편광 패턴이 형성된 편광판을 포함한다.
상기 투과율 가변 기판은, 제1 전극층과 제2 전극층, 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 투과율 가변층을 포함하고, 상기 투과율 가변층은 투과율 가변 물질, 전해질, 광전도 염료 및 나노 입자를 포함한다.
상기 투과율 가변층의 문턱전압은 상기 전해질의 점도에 의해 조절된다.
상기 투과율 가변 기판은, 투과율 가변 부재, 및 상기 투과율 가변 부재의 어느 하나의 면에 적층되는 염료감응형 태양전지를 포함한다.
상기 염료감응형 태양전지는, 제1 전극층과 제2 전극층, 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 전기에너지를 생산하는 발전층을 포함하고, 상기 발전층은 전해질, 광전도 염료 및 나노 입자를 포함한다.
상기 투과율 가변 장치는 상기 전기에너지를 저장하는 배터리, 및 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 컨트롤러를 더 포함한다.
상기 충방전 컨트롤러는, 상기 투과율 가변 기판의 전력 생산량이 기정해진 기준치 이상이면 상기 전기에너지를 상기 투과율 컨트롤러에 공급한다.
상기 충방전 컨트롤러는, 상기 투과율 가변 기판의 전력 생산량이 기정해진 기준치 미만이면, 상기 배터리에 저장된 전기에너지를 상기 투과율 컨트롤러에 공급한다.
상기 충방전 컨트롤러는, 상기 투과율 컨트롤러 미구동 시 상기 전기에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전한다.
본 발명에 따르면, 투과율 가변 기판에 태양전지를 결합하여 투과율 가변 제어를 수행하며 태양광 발전을 통해 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지가 결합된 투과율 가변 기판을 차량용 유리 및/또는 건물용 유리 등에 적용하여 투과율 제어에 소모되는 전력을 자체적으로 생산하여 공급하므로, 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양광 발전을 통해 태양전지가 결합된 투과율 가변 기판에서 생산되는 전기에너지를 배터리에 충전하고, 배터리에 충전된 전기에너지를 다른 시스템에 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 제어 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한 다른 일 예이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한 또 다른 일 예이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서는 투과율 가변 기판에 태양전지를 결합하여 전기 생산 기능과 투과율 가변 기능을 모두 구현하는 기술을 제시한다. 여기서, 태양전지로는 폴리실리콘 태양전지, 박막형 태양전지 및 투명한 염료감응형 태양전지 중 적어도 하나가 적용될 수 있다.
폴리실리콘 태양전지는 솔라 셀(solar cell)의 기판이 폴리실리콘으로 만들어진 태양전지이다. 폴리실리콘 태양전지는 전기적 성질이 다른 n형 폴리실리콘과 p형 폴리실리콘을 접합시킨 것으로, 빛 에너지에 의해 태양전지 내부의 전자가 자유전자 상태로 변하고, 이 자유전자가 n형 폴리실리콘으로 움직임으로써 전기가 생성된다.
박막형 태양전지는 실리콘 웨이퍼 상에 태양전지를 구현하는 결정형 실리콘 태양전지와 달리 유리, 금속, 플라스틱과 같은 저가 기판에 박막 형태의 반도체를 적층하여 구현한 형태를 말한다. 박막의 소재에 따라, 실리콘 박막, GIGS 박막, CdTe 박막 등으로 구분되며, 결정형 실리콘 태양전지 대비 소재 소모량이 적고, 저자 공정 적용으로 저비용 제조가 가능하다. 또한, 플렉서블한 기판 적용 시 다양한 용도의 태양전지 구현이 가능하다.
염료감응형 태양전지는 투명 기판, 투명 전극과 상대 전극, 그 사이를 채우는 전해질, 염료분자가 흡착된 이산화티타늄(TiO2) 입자로 구성된다. 투명 기판과 투명 전극을 투과한 태양광이 염료 분자에 의해 흡수되면 염료는 여기 상태가 되면서 전자를 생성하고 생성된 전자는 이산화티타늄 입자를 통해 투명 전극에 전달돼 전기가 생성된다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 전해질 용액으로부터 전자를 공급받아 원래 상태로 환원되고, 전해질은 상대 전극에 의해 환원돼 이 과정을 반복하면서 전기를 생성한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 제어 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 제어 장치(이하, 투과율 가변 제어 장치)는 투과율 가변 기판(110), 투과율 컨트롤러(120), 배터리(130) 및 충방전 컨트롤러(140)를 포함할 수 있다.
투과율 가변 기판(110)은 빛이 통과하는 양을 조절할 수 있는 것으로, 차량의 윈도우 및/또는 건축물의 창호 등에 적용될 수 있다. 투과율 가변 기판(110)은 태양전지와 결합되어 태양광에 의한 전력 생산이 가능하다. 즉, 투과율 가변 기판(110)은 투과율 가변 기능뿐만 아니라 전기 생산 기능까지 제공할 수 있다.
투과율 컨트롤러(120)는 투과율 가변 기판(110)의 투과율을 제어하는 장치이다. 투과율 컨트롤러(120)는 투과율 가변 기판(110)에 인가되는 전원을 제어하여 투과율 가변 기판(110)의 투과율을 조절할 수 있다. 투과율 컨트롤러(120)는 투과율 가변 기판(110)에서 생산되는 전기에너지를 구동 전원으로 이용하여 동작할 수 있다. 투과율 컨트롤러(120)는 컨버터, 통신 모듈, 메모리, 및/또는 프로세서 등을 포함할 수 있다.
배터리(130)는 투과율 가변 기판(110)에서 생산되는 전기에너지를 저장하는 역할을 한다. 배터리(130)는 충전된 전기에너지를 투과율 컨트롤러(120) 또는 외부 기기에 구동 전원으로 공급할 수 있다. 배터리(130)로는 리튬 배터리 및/또는 납 축전지 등이 사용될 수 있다.
충방전 컨트롤러(140)는 배터리(130)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 충방전 컨트롤러(140)는 충방전 회로, 과충전 방지 회로, 과방전 방지 회로, 통신 모듈, 메모리, 및/또는 프로세서 등을 포함할 수 있다.
충방전 컨트롤러(140)는 투과율 가변 기판(110)에서 생산되는 전력량(전력생산량)이 기정해진 기준치 이상인지를 모니터링할 수 있다. 충방전 컨트롤러(140)는 투과율 컨트롤러(120)의 동작 모드를 모니터링할 수 있다. 충방전 컨트롤러(140)는 전력 생산량이 기정해진 기준치 이상이며 투과율 컨트롤러(120)의 동작 모드가 구동 모드이면, 투과율 가변 기판(110)에서 태양광 발전을 통해 생산되는 전기에너지를 투과율 컨트롤러(120)에 공급할 수 있다. 충방전 컨트롤러(140)는 전력 생산량이 기정해진 기준치 미만이며 투과율 컨트롤러(120)의 동작 모드가 구동 모드이면, 배터리(130)에 충전된 전기에너지를 투과율 컨트롤러(120)에 공급할 수 있다.
충방전 컨트롤러(140)는 전력 생산량이 기정해진 기준치 이상이며 투과율 컨트롤러(120)의 동작 모드가 미구동 모드인 경우, 투과율 가변 기판(110)로부터 출력되는 전기에너지로 배터리(130)를 충전할 수 있다. 충방전 컨트롤러(140)는 투과율 가변 기판(110)에서 잉여 전기에너지가 생산되는 경우 잉여 전기에너지로 배터리(130)를 충전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한다.
도 2를 참조하면, 투과율 가변 기판(200)은 제1 편광판(210), 제2 편광판(220), 및 투과율 가변 부재(230)를 포함할 수 있다.
제1 편광판(210) 및 제2 편광판(220)은 특정 위상의 광원만 투과시키는 역할을 한다. 제1 편광판(210)은 제1 기재층(base layer)(211)과 제1 편광층(212)을 포함하고, 제2 편광판(220)은 제2 기재층(221)과 제2 편광층(222)을 포함할 수 있다. 제1 기재층(211) 및 제2 기재층(221)은 투명한 플라스틱 필름 또는 유리 등으로 구현될 수 있다. 각 편광층(212 또는 222)은 각 기재층(211 또는 221)의 어느 한 면에 적층될 수 있다. 각 편광층(212 또는 222)은 불투명한 폴리실리콘 또는 박막 형태의 태양전지를 이용하여 편광 패턴을 패터닝함으로 형성될 수 있다. 패터닝 시 레이저를 조사하거나 마스킹 후 구성 물질에 반응하는 UV 등의 광원을 조사하여 편광 패턴을 형성할 수 있다. 본 실시 예에서는 제1 편광판(210) 및 제2 편광판(220)에 각각 태양전지가 결합되는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 제1 편광판(210) 및 제2 편광판(220) 중 어느 하나에만 태양전지가 결합될 수도 있다. 제1 편광판(210) 및 제2 편광판(220)에서 생성되는 전기에너지는 충방전 컨트롤러(140)에 공급될 수 있다.
투과율 가변 부재(230)는 제1 전극(231), 제2 전극(232) 및 액정(233)을 포함할 수 있다. 제1 전극(231) 및 제2 전극(232)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 구현될 수 있다. 액정(233)은 고분자 폴리머로, 제1 전극(231)과 제2 전극(232) 사이에 실장될 수 있다. 액정(233)에 인가되는 전기장에 의해 액정(233)의 위상이 변화하여 투과율 가변 부재(230)를 통과하는 광원의 양이 조절될 수 있다. 다시 말해서, 투과율 컨트롤러(120)에 의해 제1 전극(231)과 제2 전극(232)에 공급되는 전원(예: 전압)에 따라 투과율이 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한 다른 일 예이다. 본 실시 예는 물질을 혼합하여 투과율 가변 기판에 염료감응형 태양전지를 결합하는 것을 설명한다.
도 3을 참조하면, 투과율 가변 기판(300)은 제1 전극(301), 제2 전극(302) 및 투과율 가변층(303)을 포함할 수 있다.
제1 전극(301)과 제2 전극(302)은 투과율 컨트롤러(120) 및 충방전 컨트롤러(140)에 연결될 수 있다. 제1 전극(301)과 제2 전극(302)은 ITO(Indium Tin Oxide) 등으로 형성될 수 있다. 투과율 가변층(303)은 제1 전극(301)과 제2 전극(302) 사이에 형성될 수 있다. 투과율 가변층(303)에는 투과율 가변 물질(310) 및 염료감응형 태양전지의 구성 요소들(320 내지 340)을 포함할 수 있다. 여기서, 투과율 가변 물질(310)은 고분자 폴리머이고, 염료감응형 태양전지의 구성 요소들(320 내지 340)은 액체 전해질(320), 광전도 염료(330) 및 나노 입자(340)를 포함할 수 있다.
염료감응형 태양전지는 염료(330)가 태양광에 의해 여기 상태로 천이하며 발생하는 전자가 TiO2 등의 나노 입자(340)를 통해 전극(301, 302)로 이동하고, 전해질(320)에서 전자를 재공급 받는 과정을 반복하며 전기를 생산할 수 있다. 염료감응형 태양전지의 전력생산효율은 약 5~12%이며, 투과율 가변 물질(310)의 위상 변화에 영향을 주지 않는다. 투과율 가변 물질(310)의 동작 문턱 전압이 낮은 경우, 염료감응형 태양전지가 결합된 투과율 가변층(303)에서 생산되는 전력에 의한 투과율 가변 물질(310)의 위상 변화에 영향을 미칠 수 있다. 이런 경우, 액체 전해질(320)의 점성을 높여 투과율 가변 물질(310)의 동작 문턱 전압을 상승시키므로 광전도 염료(330)에서 여기되는 전하의 영향을 막을 수 있다. 투과율 가변용 전압 인가 시 태양광 발전에 의해 생성된 전하는 전극(301, 302)에 유지되어 구동에 필요한 에너지로 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 투과율 가변 기판의 구성을 도시한 또 다른 일 예이다.
도 4를 참조하면, 투과율 가변 기판(400)은 투과율 가변 부재(410)와 태양전지(420)를 포함할 수 있다.
투과율 가변 부재(410)는 두 전극(411, 412)과 액정층(413)을 포함할 수 있다. 액정층(413)은 두 전극(411, 412) 사이에 형성되며, 투과율 가변 물질(414)을 포함할 수 있다. 투과율 가변 물질(414)은 고분자 폴리머로 구현될 수 있다. 투과율 가변 부재(410)의 두 전극(411, 412)은 투과율 컨트롤러(120)에 연결되며, 투과율 컨트롤러(120)의 전압 제어에 따라 투과율 가변 부재(410)의 투과율이 조절될 수 있다.
태양전지(420)는 염료감응형 태양전지로, 두 전극(421, 422) 및 발전층(423)을 포함할 수 있다. 발전층(423)은 두 전극(421, 422) 사이에 배치되며 액체 전해질(430), 광전도 염료(440), 및 나노 입자(450)를 포함할 수 있다. 태양전지(420)의 두 전극(421, 422)은 충방전 컨트롤러(140)에 연결될 수 있다.
염료감응형 태양전지는 투명성을 가지므로, 광원의 빛을 투과시킬 수 있어 투과율 가변 부재(410)와 별도의 층으로 결합이 가능하다. 이때, 태양전지(420)의 전기 생성 효율을 높이기 위해 외부에 노출되는 최외곽에 태양전지(420)를 위치시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 태양전지와 결합되어 태양광을 이용하여 전기에너지를 발전하는 투과율 가변 기판;
    상기 전기에너지를 이용하여 상기 투과율 가변 기판의 투과율을 제어하는 투과율 컨트롤러;
    상기 전기에너지를 저장하는 배터리; 및
    상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 컨트롤러를 포함하고,
    상기 충방전 컨트롤러는,
    상기 투과율 가변 기판의 전력 생산량이 기정해진 기준치 이상이면 상기 투과율 가변 기판에서 발전되는 전기에너지를 상기 투과율 컨트롤러에 공급하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투과율 가변 기판은,
    폴리실리콘 태양전지, 박막형 태양전지 및 염료감응형 태양전지 중 적어도 하나와 결합되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 투과율 가변 기판은,
    폴리실리콘 또는 박막형 태양전지에 의한 편광 패턴이 형성된 편광판을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치.
  4. 삭제
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  6. 삭제
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  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 컨트롤러는,
    상기 투과율 가변 기판의 전력 생산량이 기정해진 기준치 미만이면, 상기 배터리에 저장된 전기에너지를 상기 투과율 컨트롤러에 공급하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 컨트롤러는,
    상기 투과율 컨트롤러 미구동 시 상기 전기에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전이 가능한 투과율 가변 장치.
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