[논문]태양전지를 이용한 자가발전 손전등 개발에 관한 연구

김홍일

doi:10.5762/kais.2009.10.8.1795

태양전지를 이용한 자가발전 손전등 개발에 관한 연구
A development of an independent electric power generating portable flashlight by using solar battery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.8, 2009년, pp.1795 - 1801

초록
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본 연구는 태양광과 자가발전을 이용한 휴대가능한 손전등 기술로서 전기를 사용할 수 없는 극한 상황에서 수동으로 자가발전을 할 수 있도록 구성하였다. 주간에는 태양전지를 이용하여 배터리를 충전시키고, 태양광을 이용 할 수 없는 경우에는 손잡이를 회전하여 전기를 발전시켜 배터리를 충전하도록 구성하였다. 빛의 밝기를 개선하기 위해 광학 렌즈를 이용하여 빛을 집광시켜 빛의 밝기를 개선하며, 저소비전력 회로를 구성하여 램프 방전 시, 소비전력을 억제하여 장기간 사용이 가능하도록 하였다. 배터리 충전 및 외부 휴대용 기기를 충전하기 위한 안정적인 정전압/정전류 회로를 구성하여 안정적인 충전이 이루어지도록 하였다. 배터리 장기간 사용하지 않는 경우, 배터리의 과방전이 이루어지지 않도록 과방전 회로를 구성하고, 과충전이 이루어지지 않도록 보호회로를 장착하였다. 또한 가정용 아답터를 이용하여 상시 충전이 가능하도록 하였다. 이와 같은 결과로 자가발전 손전등을 구현하였으며, 평상 시 주간에는 태양광으로 충전이 가능하며, 또한 가정용 사용전원으로 충전이 가능하도록 구현하였다. 그리고 광학 렌즈기술을 적용하여 빛의 밝기가 극대화되어 원거리 조사기능이 가능하며, 야간에도 독서가 가능한 백색 자연광을 발산하도록 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 태양광과 자가발전을 이용한 휴대가능한 손전등 기술로서, 친환경적이며 기존 손전등에서 사용하고 있는 클립톤 전구를 대신하여 고휘도 LED를 사용하고 이를 구동하는 저소비전력 소자를 이용하여 제품을 구현함으로 인해, 장기간 사용이 가능하며, 광학 렌즈 기술을 이용하여 빛의 발산 효율을 극대화 한자가발전 손전등을 개발하고자 한다. 또한 전기를 사용할 수 없는 극한 상황에서 수동으로 자가발전을 한다든가, 주간에 태양열을 이용하여 충전하므로 인해 배터리의 교환이 불필요한 자가발전 시스템을 개발하고자 한다.
그러므로 본 연구에서는 태양광과 자가발전을 이용한 휴대가능한 손전등 기술로서, 친환경적이며 기존 손전등에서 사용하고 있는 클립톤 전구를 대신하여 고휘도 LED를 사용하고 이를 구동하는 저소비전력 소자를 이용하여 제품을 구현함으로 인해, 장기간 사용이 가능하며, 광학 렌즈 기술을 이용하여 빛의 발산 효율을 극대화 한자가발전 손전등을 개발하고자 한다. 또한 전기를 사용할 수 없는 극한 상황에서 수동으로 자가발전을 한다든가, 주간에 태양열을 이용하여 충전하므로 인해 배터리의 교환이 불필요한 자가발전 시스템을 개발하고자 한다.

제안 방법

10[cm] × 5[cm] 크기의 출력 전압 3[Vdc], 전류 200[mA]이상의 태양 전지판을 사용하여 이를 배터리 충전에 필요한 4.2[Vdc]로 변환하여 200[mA]이상으로 배터리를 상시 충전할 수 있도록 하였다.
1분 회전하여 충전한 전력량으로 최소의 필요 방전을 행하기 위해서 4.8[Vdc]를 10.8[Vdc]로 승압하는 DC-DC 변환기를 사용하여 고휘도 백색 LED를 구동하며, 직렬 연결된 LED에 흐르는 전류는 15∼20[mA]이다.
8[Vdc]로 승압하는 DC-DC 변환기를 사용하여 고휘도 백색 LED를 구동하며, 직렬 연결된 LED에 흐르는 전류는 15∼20[mA]이다. DC-DC 변환기는 자체 ENABLE 및 DISABLE 기능을 가지는 소자로서 배터리의 전압이 4.0[Vdc]이하가 되면 DISABLE 하도록 과방전 회로를 부착하여 방전 종지전압이 되면 DC-DC 변환기 시스템이 OFF 되도록 하여 과방전의 염려가 없도록 설계하였다. 니켈-수소 배터리 충전을 위한 정전압, 정전류 회로를 통과 한 전압의 일부는 외부 리튬-이온 충전을 위한 4.
정전압 정전류 회로를 통하여 배터리를 충전하며, 또한, 외부에 휴대폰과 같은 기기를 연결하더라도 장애가 발생하지 않고 안정적으로 충전되도록 충전회로를 개발하였다. 그리고 단기간 충전으로 장기간 사용할 수 있도록 DC-DC 변환기 기술을 개발하여 최대의 조광효율을 갖고 장기간 배터리가 방전하도록 하여 LED의 점등시간을 지속시킬 수 있도록 하였다. 장기간 배터리를 미사용시에도 배터리가 자연방전 되는 것을 최대한 막는 회로를 부가하여 비상시에 적절하게 운용 가능하도록 하였다.
저전력 방전기술을 도입하여 LED의 효율을 저하시키지 않으면서 LED를 구동하게 되어 단시간의 충전으로도 장시간 방전이 가능한 구조가 가능하였다. 그리고 정전압, 정전류 회로를 통해 배터리를 충전하며, 과방전이 되지 않는 회로를 부착하여 가장 적은 방전이 이루어지도록 회로를 구성하기 위해 역전전류 방지회로로 구성하고 저전력 소자로서 회로를 구성하여 장기간 방치하여도 배터리가 방전되지 않도록 구현하였다. 또한 반 평볼록 렌즈를 3개 사용하여 곡률반경에 따른 집광효율을 개선하기위한 실험 데이터를 작성하고 2[M]거리에서 30[LUX]이상의 효율을 발생하는 곡률반경 데이터를 생성하여 개발 제품에 적용할 수 있도록 개발하였다.
사용 전원을 이용하여 아답터를 이용하여 배터리를 충전 가능하게 하였다. 내장된 정류 및 정전압 정전류 회로로 일반 가정용 AC-DC(9[Vdc]/200[mA]) 아답터를 통해 6시간 충전하도록 설계하여 필요시에 충전하여 쓰도록 하였다. 방전금지회로를 설계하고, 종전의 1분충전에 10분점등시간이 유지 않는 것을 토대로 배터리를 4.
군용 손전등의 경우, 전력소모가 많은 클립톤 전구를 사용하고 있다. 늦은 저녁 실험실의 전원을 끈 상태에서 1M, 2M, 3M 거리에서의 조도(LUX)와 원의 반경을 관측하였다.
그리고 정전압, 정전류 회로를 통해 배터리를 충전하며, 과방전이 되지 않는 회로를 부착하여 가장 적은 방전이 이루어지도록 회로를 구성하기 위해 역전전류 방지회로로 구성하고 저전력 소자로서 회로를 구성하여 장기간 방치하여도 배터리가 방전되지 않도록 구현하였다. 또한 반 평볼록 렌즈를 3개 사용하여 곡률반경에 따른 집광효율을 개선하기위한 실험 데이터를 작성하고 2[M]거리에서 30[LUX]이상의 효율을 발생하는 곡률반경 데이터를 생성하여 개발 제품에 적용할 수 있도록 개발하였다. 태양광을 이용하여 주간에는 상시 배터리에 충전이 가능하도록 구성하였다.
내장된 정류 및 정전압 정전류 회로로 일반 가정용 AC-DC(9[Vdc]/200[mA]) 아답터를 통해 6시간 충전하도록 설계하여 필요시에 충전하여 쓰도록 하였다. 방전금지회로를 설계하고, 종전의 1분충전에 10분점등시간이 유지 않는 것을 토대로 배터리를 4.8[Vdc]/350[mA]로 변경 적용하고, 방전금지회로를 추가하고 또한 국내 핸드폰을 충전하기 위한 4.2[Vdc] 출력단자를 제공하도록 회로를 구성하도록 개발하였다.
손전등 전면에 부착되어 있는 3개의 고휘도 백색 LED의 밝기를 시험하기 위하여, “ㄱ”자형 군용 손전등과 제작한 손전등의 조도를 비교하였다.
원 칩 마이컴 ATMEGA8L로서 PWM 변조를 행하여 DC-DC 컨버터를 구현하고, 태양전지의 전력을 최상으로 뽑아내도록 하였다. 실험실 내에서는 결과 값을 RS-232C를 통해 PC에서 모니터링 하도록 하였다. 태양전지 충전과는 별개로 자가발전 충전과 외부 아답터를 이용한 충전회로를 구현하고 배터리에 있어 최소의 방전을 행하도록 하여 고휘도 LED가 장기간 사용하도록 회로를 구현하였다.
원 칩 마이컴 ATMEGA8L로서 PWM 변조를 행하여 DC-DC 컨버터를 구현하고, 태양전지의 전력을 최상으로 뽑아내도록 하였다. 실험실 내에서는 결과 값을 RS-232C를 통해 PC에서 모니터링 하도록 하였다.
자가발전 손전등 시스템을 태양광으로부터 전기를 발생하는 태양전지, 솔라셀의 전류 및 전압을 상승 시키는 DC-DC 변환부, 배터리부, 수동 회전을 통해 전기를 발생하는 발전부, 외부 상용전원을 수집하기위한 DC-DC 변환부, 정전류/정전류 정류회로, 과충전,과방전,역전류 돌입방지 회로, LED의 전류를 제한하는 Step Up DC-DC Converter, 방전표시등으로 구성하고 개발하였으며 그 결과는 다음과 같다.
자가발전 손전등의 전체 하드웨어 블록도는 그림 3과 같으며 3상 AC 발전기, 3상 AC/DC 변환 정류기, 완충 장치, 4.8[Vdc] 니켈 수소 배터리 충전용 정전압, 정전류 회로 및 역전류 저지 회로, LED 온/오프 스위치, 4.8Vdc/350mA] 배터리, 과방전 금지 회로, 승압 변환기, 직렬로 연결된 백색 LED 3개, 리튬-이온 충전용 배터리 충전용 정전압 회로, 역전류 저지 회로, 3.6[Vdc]/700 핸드폰 충전 잭으로 구성하고 연구개발을 수행하였다.
그림4는 자가발전 손전등의 전체회로도를 나타낸다. 자가발전 손전등의 회로도는 정전압 정전류 회로, 충전회로, DC-DC 변환기회로, 역전전류방지회로, 광학을 적용한 빛의 집광, 태양전지 시스템과 상용 전원 충전 시스템, 방전금지회로로 구성하였다. 정전압 정전류 회로를 통하여 배터리를 충전하며, 또한, 외부에 휴대폰과 같은 기기를 연결하더라도 장애가 발생하지 않고 안정적으로 충전되도록 충전회로를 개발하였다.
그리고 단기간 충전으로 장기간 사용할 수 있도록 DC-DC 변환기 기술을 개발하여 최대의 조광효율을 갖고 장기간 배터리가 방전하도록 하여 LED의 점등시간을 지속시킬 수 있도록 하였다. 장기간 배터리를 미사용시에도 배터리가 자연방전 되는 것을 최대한 막는 회로를 부가하여 비상시에 적절하게 운용 가능하도록 하였다.
자가발전 손전등의 회로도는 정전압 정전류 회로, 충전회로, DC-DC 변환기회로, 역전전류방지회로, 광학을 적용한 빛의 집광, 태양전지 시스템과 상용 전원 충전 시스템, 방전금지회로로 구성하였다. 정전압 정전류 회로를 통하여 배터리를 충전하며, 또한, 외부에 휴대폰과 같은 기기를 연결하더라도 장애가 발생하지 않고 안정적으로 충전되도록 충전회로를 개발하였다. 그리고 단기간 충전으로 장기간 사용할 수 있도록 DC-DC 변환기 기술을 개발하여 최대의 조광효율을 갖고 장기간 배터리가 방전하도록 하여 LED의 점등시간을 지속시킬 수 있도록 하였다.
또한 반 평볼록 렌즈를 3개 사용하여 곡률반경에 따른 집광효율을 개선하기위한 실험 데이터를 작성하고 2[M]거리에서 30[LUX]이상의 효율을 발생하는 곡률반경 데이터를 생성하여 개발 제품에 적용할 수 있도록 개발하였다. 태양광을 이용하여 주간에는 상시 배터리에 충전이 가능하도록 구성하였다. 10[cm] × 5[cm] 크기의 출력 전압 3[Vdc], 전류 200[mA]이상의 태양 전지판을 사용하여 이를 배터리 충전에 필요한 4.
실험실 내에서는 결과 값을 RS-232C를 통해 PC에서 모니터링 하도록 하였다. 태양전지 충전과는 별개로 자가발전 충전과 외부 아답터를 이용한 충전회로를 구현하고 배터리에 있어 최소의 방전을 행하도록 하여 고휘도 LED가 장기간 사용하도록 회로를 구현하였다. 그림1과 그림2는 자가발전 손전등의 시스템 구성도를 나타낸다.
태양전지에 연결하여 동작실험을 하기 전에 의사 실험 전원을 구성하여 동작을 시뮬레이션 하였다. 의사 전지 직류전원을 그림 9와 같이 구성하고 전압특성이 실물과 거의 같도록 조정하여 사용하였다.
하드웨어 시스템은 그림 1과 같이 태양광으로부터 전기를 발생하는 태양전지(Solar Cell), 솔라셀의 전류 및 전압을 상승 시키는 DC-DC 변환부, 배터리부, 수동 회전을 통해 전기를 발생하는 발전부(Hand Spindle Driving 3 Phase Generator), 외부 상용전원을 수집하기위한 DC-DC 변환부, 정전류/정전류 정류회로(constant Current/Voltage Rectifire Circuit), 과충전,과방전,역전류 돌입방지회로(Over-Charging & Over-Discharging Protection Circuit),LED의 전류를 제한하는 Step Up DC-DC Converter, 방전표시 등 (Discharging Indicator)으로 구성하고 연구개발을 수행하였다.
8[Vdc] 니켈-수소 배터리로 공급된다. 회전 손잡이의 회전으로 인한 전류 발생이 없을 시 역전류가 흐르는 것을 막기 위해, 역전류 저지 회로를 부착하였고, 배터리 다음단의 고휘도 백색 LED를 온/오프 하기위해서 버튼 스위치를 부착하였다.

대상 데이터

태양전지에 연결하여 동작실험을 하기 전에 의사 실험 전원을 구성하여 동작을 시뮬레이션 하였다. 의사 전지 직류전원을 그림 9와 같이 구성하고 전압특성이 실물과 거의 같도록 조정하여 사용하였다.

성능/효과

1. 정전압 정전류 회로를 통하여 배터리를 충전하며, 또한, 국내외서 최초로 외부에 휴대폰과 같은 기기를 연결하더라도 장애가 발생하지 않고 안정적으로 충전되도록 충회로가 구현되었다.
2. 최대의 조광효율을 갖고 장기간 배터리가 방전하도록 회로를 구성함으로써 LED의 점등시간을 지속시킬 수 있었다. 그리고 국내외서 최초로 자가발전 손전등에 LED조명기술을 도입하였다.
3. 저전력 방전기술을 도입하여 LED의 효율을 저하시키지 않으면서 LED를 구동하게 되어 단시간의 충전으로도 장시간 방전이 가능하였다.
4. 정전압, 정전류 회로를 통해 배터리를 충전하며, 과방전이 되지 않는 회로를 부착하여 가장 적은 방전이 이루어지도록 회로를 구성하기 위해 역전전류 방지회로로 구성하고 저전력 소자로서 회로를 구성하여 장기간 방치하여도 배터리가 방전되지 않도록 구현되었다.
5. 눈으로 느끼는 밝기는 백색 LED가 밝았으며, 실절적인 조도는 켈빈온도가 떨어지는 군용 손전등이 높은 수치를 나타내었다.
6. 육안으로 볼 때는 LED가 밝으나, LUX(조도) 측정 결과는 크립톤 전구가 높은 것으로 반대의 수치를 나타내었다.
그림 12는 태양전지로부터 입력되는 전력을 최대화하는 DC-DC 컨버터의 PWM 신호이다. 실험 결과, 과방전 금지 및 저소비 전력 설계를 통해서 앞에서 서술한 것 처럼, 초기에 설정하였던 조건을 만족하면서, 마이컴의 소비전류는 1.27[mA], 출력전압:4.2Vdc,출력전류 200mA, 조도 45LUX(2M)로서 제작 초기에 설정하였던 값과 흡사하였다.
실험결과 눈으로 느끼는 밝기(켈빈온도 측정법이라고 함)는 백색 LED가 밝았으며, 실절적인 조도는 켈빈온도가 떨어지는 군용 손전등이 높으 수치를 나타내었다.
2[Vdc]에 달하는 입력에 대해서도 12[Vdc]의 전압을 출력시키며 적은 전력으로서 LED를 구동하는 구조로 구성하였다. 저전력 방전기술을 도입하여 LED의 효율을 저하시키지 않으면서 LED를 구동하게 되어 단시간의 충전으로도 장시간 방전이 가능한 구조가 가능하였다. 그리고 정전압, 정전류 회로를 통해 배터리를 충전하며, 과방전이 되지 않는 회로를 부착하여 가장 적은 방전이 이루어지도록 회로를 구성하기 위해 역전전류 방지회로로 구성하고 저전력 소자로서 회로를 구성하여 장기간 방치하여도 배터리가 방전되지 않도록 구현하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양에너지 자원량은 전 세계 에너지 소요량 대비 몇 배에 이르는가?	그 중요성으로 보면 계속 사용해도 고갈되지 않는 무한정의 영구적인 에너지이다. 독일 기후변화 협의회에서 나온 조사치에 의하면 태양에너지 자원량은 현재 전 세계 에너지 소요량 대비 2,850배에 이르는 것으로 조사되고 있다. 풍력, 바이오매스 등은 각 200배, 20배 정도의 규모이다[5].
	유럽 신재생에너지협회의 전망에 따르면 신재생에너지의 비중은 어떻게 전망되는가?	전체 에너지 중 신재생에너지 비중은 2004년 13% 수준에 불과하지만 환경위기에 대한 세계적인 공감대 형성과 교토의정서 등 국가 간 협약, 정부차원의 적극적 지원 등에 힘입어 신재생에너지는 꾸준히 성장하고 있다[2]. 유럽 신재생에너지협회의 전망에 따르면 2001년부터 2020년까지 전체 에너지 중 신재생에너지의 비중은 2001년 19% 수준에서 2020년 35% 수준까지 빠르게 증가할 것으로 전망되고 있다. 이 전망에 따르면 전체 재생에너지량은 2020년에는 2001년의 3배 수준에 이르러 같은 기간 약 1.
	신재생에너지 중 풍력, 해수력 발전의 문제점은 무엇인가?	또한 규모나 지역에 관계없이 설치할 수 있고 유지비용이 거의 들지 않는다. 태양열 발전의 경우 소규모 시스템에서는 경제성이 떨어지고, 풍력, 해수력 발전은 발전 단위는 크지만 지형환경에 따른 제약이 크다. 수소력은 폭발 위험 등이 존재해 확산이 쉽지 않은 상황이다[7].

참고문헌 (10)

유호천, 장문식, "태양에너지 분야의 최근 연구동향-2000년-2002년 학회지 논문에 대한 종합적 고찰-", 한국태양에너지학회 논문집, 제22권 4호, 12월, 2002.

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김영환, 조일식, 이의준, 현명택, 강은철, "태양에너지를 이용한 열-전기 동시생산을 위한 PV-Solarwall 단위모듈 성능평가 연구", 한국태양에너지학회 논문집, 제25권 3호, 12월, 2005.

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Duffie John A. and Beckman William A., Solar Engineering of Thermal Process, John Wiley & Sons, Inc., 1991.
조덕기, 강용혁, "국내 태양에너지 측정데이터의 신뢰성 평가 및 보정에 관한 연구", 한국태양에너지학회 논문집, 제25권 3호, 9월, 2005.

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이관호, "환경비용을 고려한 재생에너지의 경제성 분석", 한국태양에너지학회 논문집, 24권 4호, 12월, 2004.

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Korean Standards Association, 2003, KS air-conditioner: KS C 9306.
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조덕기, 강용혁, 이의준, 오정무, "태양광발전단지 건설을 위한 태양광자원 정밀조사", 한국태양에너지학회 논문집, 제24권 3호, 9월, 2004.

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D. L. King, J. M. Gee et al, Measurement Precautions for High-Resistivity Silicon Solar Cells, IEEE, pp. 555-559, 1987.
조덕기, 강용혁, 오정무, "고지대 일사량 특성 분석에 관한 연구", 한국태양에너지학회 논문집, 제23권 3호, 9월, 2003.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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