PRT 차량의 보조 전력공급을 위한 유연소재 태양전지의 적용 가능성 연구 An Exploratory Study on the Applicability of Thin-Film Photovoltaic Cells for Auxiliary Power Supply of a Personal Rapid Transit (PRT) Vehicle원문보기
최근의 신 교통시스템 개발 동향은 주로 지속가능하고 친환경적인 교통수단을 제공하는데 초점이 맞춰져 있다. 그 중에서도, 수요응답형 순환교통(PRT: Personal Rapid Transit) 시스템은 그 가능성 때문에 주목을 받고 있으며, 첨단 전기 자동차(EV) 개발 기술과의 융합을 통해서 경쟁력은 보다 향상되고 있다. 하지만 전기 배터리에 의해 구동되는 차량의 경우 안정적이고 효율적인 운영의 측면에서 기술적인 어려움에 직면하고 있다. 본 논문에서는, 기술적인 난제를 극복하고 전기에너지를 기반으로 한 교통수단의 보급을 증대하기 위하여 태양전지에 의한 보조 전력 공급을 위한 설계적 접근방법에 대해서 모형실험을 통해서 논한다. 그 결과, 실제 차량에 적용했을 시 보조 전원 공급장치로서 일부 서비스 기기에 소요되는 전력량의 대략 11% 정도를 감당할 수 있을 것으로 예측되었다. 특히, 유연소재 태양전지의 장점은 저렴하고 가벼우며 디자인 의도를 최대한 살릴 수 있다는 데 있다. 무엇보다도 유연함과 용이한 부착성은 다양한 분야에서의 확대 적용 가능성을 보여준다.
최근의 신 교통시스템 개발 동향은 주로 지속가능하고 친환경적인 교통수단을 제공하는데 초점이 맞춰져 있다. 그 중에서도, 수요응답형 순환교통(PRT: Personal Rapid Transit) 시스템은 그 가능성 때문에 주목을 받고 있으며, 첨단 전기 자동차(EV) 개발 기술과의 융합을 통해서 경쟁력은 보다 향상되고 있다. 하지만 전기 배터리에 의해 구동되는 차량의 경우 안정적이고 효율적인 운영의 측면에서 기술적인 어려움에 직면하고 있다. 본 논문에서는, 기술적인 난제를 극복하고 전기에너지를 기반으로 한 교통수단의 보급을 증대하기 위하여 태양전지에 의한 보조 전력 공급을 위한 설계적 접근방법에 대해서 모형실험을 통해서 논한다. 그 결과, 실제 차량에 적용했을 시 보조 전원 공급장치로서 일부 서비스 기기에 소요되는 전력량의 대략 11% 정도를 감당할 수 있을 것으로 예측되었다. 특히, 유연소재 태양전지의 장점은 저렴하고 가벼우며 디자인 의도를 최대한 살릴 수 있다는 데 있다. 무엇보다도 유연함과 용이한 부착성은 다양한 분야에서의 확대 적용 가능성을 보여준다.
Recently, trends in new transportation system development have been primarily focused on sustainable and ecofriendly mobility solutions. The personal rapid transit (PRT) system has been considered a promising candidate in this category; its competitiveness is being improved through convergence with ...
Recently, trends in new transportation system development have been primarily focused on sustainable and ecofriendly mobility solutions. The personal rapid transit (PRT) system has been considered a promising candidate in this category; its competitiveness is being improved through convergence with cutting-edge electric vehicle (EV) technologies. However, battery-powered vehicles pose difficult technical challenges in attempts to achieve reliable and efficient operation. In this study, a design approach for a solar-power assisted PRT system is presented with small-scale demonstrations aimed at circumventing challenges facing its adoption, as well as helping speed the transition to electric-powered ground transportation. From the results, it is expected that flexible photovoltaic (PV) cells will be able to supply 11% of the power required by the service equipment installed in a prototype vehicle. In particular, flexible photovoltaic (PV) cells are advantageous in terms of cost, weight, and design considerations. Most importantly, the cells' flexibility and attach-ability are expected to give them great potential for extended application in various areas.
Recently, trends in new transportation system development have been primarily focused on sustainable and ecofriendly mobility solutions. The personal rapid transit (PRT) system has been considered a promising candidate in this category; its competitiveness is being improved through convergence with cutting-edge electric vehicle (EV) technologies. However, battery-powered vehicles pose difficult technical challenges in attempts to achieve reliable and efficient operation. In this study, a design approach for a solar-power assisted PRT system is presented with small-scale demonstrations aimed at circumventing challenges facing its adoption, as well as helping speed the transition to electric-powered ground transportation. From the results, it is expected that flexible photovoltaic (PV) cells will be able to supply 11% of the power required by the service equipment installed in a prototype vehicle. In particular, flexible photovoltaic (PV) cells are advantageous in terms of cost, weight, and design considerations. Most importantly, the cells' flexibility and attach-ability are expected to give them great potential for extended application in various areas.
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문제 정의
비결정질 실리콘(Amorphous Si) 필름은 상용화된 모듈 중에서는 가장 낮은 효율을 보여주지만, 대량 생산 가능성 및 낮은 생산 단가의 장점 외에 태양광의 입사 각도나 여름철 고온 환경에서의 온도에 대한 영향이 적은 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 차량 디자인의 의도를 최대한 살리고 상용화되어 가격이 저렴한 실리콘 계열의 필름형 태양전지를 보조 전원공급원으로서 PRT 개발 차량에 적용하고자 한다.
본 논문에서는 모형 차량을 이용한 실험 결과를 토대로 필름형 무기 태양전지를 이용하여 현재 개발 중인 PRT 차량에 보조 전원을 공급하는 것이 가능한지에 대해서 검토하였다. 연구에 사용된 필름형 태양전지는 유선형 디자인이 많은 현재 차량 외형 디자인의 의도를 그대로 살리면서 적용할 수 있고 가벼우며 내구성이 좋은 장점이 있다.
본 연구에서는 실제 차량에 적용하기 전의 설계 단계에서의 적용성을 검토할 목적으로 Fig. 5(a)와 같이 실 차량의 1/6 크기의 모형차량을 이용해 효율을 측정하였다. 차량의 루프(Roof)에 맞는 적절한 크기를 가진 PowerFilm사의 MPT15-75 태양전지를 사용했으며 기본 사양은 아래의 Table 2와 같다.
특히, 최근 들어 박막 형태의 태양전지 제조기술의 향상과 더불어 최대 단점인 낮은 효율을 극복한 다양한 태양전지가 상용화되고 있다. 본 연구에서는 차량의 디자인 측면을 고려하며 경제적/물리적으로 부담이 적은 유연소재(Flexible) 무기 태양전지를 현재 개발 중인 PRT 차량의 보조 전원공급원으로서의 활용성을 검토해 보고자 한다. 필름형 태양전지는 태양광의 입사 각도나 일사량에 따라 성능의 차이를 보이지만 저렴함, 유연함 및 부착의 용이성 등은 장점이라 할 수 있다.
실제 차량의 적용 시에도 모형실험에 적용된 방법과 마찬가지로 PRT 차량 외형 디자인의 심미성과 전력 생산의 효율성을 극대화하기 위해 아래의 Fig. 7과 같이 차량의 루프에 필름형 태양전지를 설치하고자 한다. 부착 가능한 루프의 면적은 대략 3.
이와 더불어 모형 차량의 소재는 합성수지(Resin)로 열전도율이 낮아 태양의 고도가 가장 높은 시간대에는 표면 온도가 대략 65℃도 이상으로 상승하여 성능을 보다 저하한 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 실제로 태양전지를 적용했을 시 얻을 수 있는 기대효과인 최대 출력 값(Pmax)을 통해서 그 가능성을 검토하였다. Fig.
제안 방법
구축된 계측시스템의 검증을 위하여 교정된 기준 태양전지(Reference solar cell: Si)를 이용하여 효율을 측정하였다. 태양 전지의 전류-전압 특성곡선은 계측장비의 공급업체인 McScience, Inc.
1(a)와 같은 옥외 태양광 계측장비를 이용하였다. 본 계측 장비는 옥외 자연광을 이용하여 다양한 형태 및 종류의 태양전지에 대하여 전류-전압 특성곡선(I-V characteristic curve)을 얻을 수 있고 그에 따라 효율을 자동으로 계산해준다. 측정 가능한 태양전지의 종류에 따른 지그(Jig) 형상은 Fig.
실질적으로 차량에의 적용 가능성을 평가하기 위해서 낮 동안(대략 6시간: 오전 10시 ~ 오후 4시) 생산 가능한 전력량을 측정해 보았다. 초가을의 구름 없는 날씨에 오전부터 해가 가려질 시간까지 시간대별로 입사각에 따른 영향을 비교하기 위하여 90°의 차이를 두고 두 가지 방향에 대해서 측정을 시도하였다.
초가을의 구름 없는 날씨에 오전부터 해가 가려질 시간까지 시간대별로 입사각에 따른 영향을 비교하기 위하여 90°의 차이를 두고 두 가지 방향에 대해서 측정을 시도하였다.
한국형 PRT 차량에 적용될 필름형 태양전지의 효율(PCE: Power Conversion Efficiency)을 측정하고 평가하기 위하여 Fig. 1(a)와 같은 옥외 태양광 계측장비를 이용하였다. 본 계측 장비는 옥외 자연광을 이용하여 다양한 형태 및 종류의 태양전지에 대하여 전류-전압 특성곡선(I-V characteristic curve)을 얻을 수 있고 그에 따라 효율을 자동으로 계산해준다.
대상 데이터
5(a)와 같이 실 차량의 1/6 크기의 모형차량을 이용해 효율을 측정하였다. 차량의 루프(Roof)에 맞는 적절한 크기를 가진 PowerFilm사의 MPT15-75 태양전지를 사용했으며 기본 사양은 아래의 Table 2와 같다.
성능/효과
에서 제공하는 소프트웨어(K3000)를 이용해서 얻었다. 그 결과, Fig. 3과 같이 측정효율은 대략 11.11%로 기준 태양전지의 공급업체(McScience Inc.)에서 제공한 성적서 효율(15.39%)에 비해서는 다소 낮지만 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 참고로, 성적서 상의 효율은 표준시험조건 하에서 인조광원 및 솔라시뮬레이터(Solar simulator)를 이용해서 측정한 결과이기 때문에 옥외의 자연광 조건에서의 결과 값에 비해 높게 측정된 것으로 판단된다.
6은 방향별 측정된 광량 및 출력 에너지양의 측정 결과를 나타낸다. 실험 결과에서 볼 수 있듯이 일사량에 따라 최대 출력 에너지양은 변화하였으며, 예측한 데로 일사량이 줄어들수록 출력 에너지양도 감소하였다. 하지만 방향의 변화에 따른 영향은 크지 않았다.
하지만 방향의 변화에 따른 영향은 크지 않았다. 실험 환경의 특성상 오후 3시경 이후로 해가 가려져 광량이 급격히 떨어져 전체적인 출력 에너지양이 많이 감소함을 확인하였다.
055m2이다. 이에 따라, 실 차량의 루프에 부착 가능한 필름형 태양전지 모듈의 개수는 본 실험에 사용된 모듈의 크기로 대략 70개로 예측되었고, 최대 출력 에너지(Maximum power point) 기준으로 대략 114W의 전력 혹은 549.92Wh(가로 방향)/506.1Wh(세로 방향)의 전력량(즉, Fig. 6ㅊㅊ에서 푸른색 영역의 넓이)이 생산 가능할 것으로 예측되었다. 현 차량의 주요 서비스 기기 전력 소비(예측)량은 위의 Table 4와 같으며 전체적으로 요구되는 전력의 총합은 816W로 필름형 태양전지를 사용할 경우 일부 서비스 기기(등 구류, 전송장치 및 통신장치)에 전력을 공급할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 태양 전지의 적용 시 차량 형상의 특성 때문에 태양광의 입사 각도에 따라서 성능이 저하될 수 있다는 단점을 확인하였다. 하지만 그 적용 가능성을 실험적 방법을 통해서 성공적으로 입증하였고, 실제 차량에 적용했을 시 보조 전원 공급장치로서 일부 서비스 기기에 소요되는 전력량의 대략 11% 정도를 감당할 수 있을 것으로 예측되었다.
연구에 사용된 필름형 태양전지는 유선형 디자인이 많은 현재 차량 외형 디자인의 의도를 그대로 살리면서 적용할 수 있고 가벼우며 내구성이 좋은 장점이 있다. 하지만 태양 전지의 적용 시 차량 형상의 특성 때문에 태양광의 입사 각도에 따라서 성능이 저하될 수 있다는 단점을 확인하였다. 하지만 그 적용 가능성을 실험적 방법을 통해서 성공적으로 입증하였고, 실제 차량에 적용했을 시 보조 전원 공급장치로서 일부 서비스 기기에 소요되는 전력량의 대략 11% 정도를 감당할 수 있을 것으로 예측되었다.
후속연구
6과 같이 6시간을 운영한다고 가정했을 때 요구되는 전력량은 4,896Wh이고 태양전지에 의해 대략 11%정도의 전력 공급이 가능하다고 할 수 있다. 또한, 표면의 온도 조건이 현재보다 개선된다면 더욱 향상된 성능을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근의 신 교통시스템 개발 동향의 초점은 어디에 있는가?
최근의 신 교통시스템 개발 동향은 주로 지속가능하고 친환경적인 교통수단을 제공하는데 초점이 맞춰져 있다. 그 중에서도, 수요응답형 순환교통(PRT: Personal Rapid Transit) 시스템은 그 가능성 때문에 주목을 받고 있으며, 첨단 전기 자동차(EV) 개발 기술과의 융합을 통해서 경쟁력은 보다 향상되고 있다.
본문에서 수요응답형 순환교통 시스템을 어떻게 정의하고 있는가?
수요응답형 순환교통(PRT: Personal Rapid Transit) 시스템은 다수의 루프(Loop)를 포함하는 네트워크(Network)로 구성된 노선상에서 수요자의 요구에 대응하여 목적지까지 무정차로 무인 자율주행 방법에 따라서 운영되는 미래형 신 교통수단으로 정의될 수 있다[1]. 특히, PRT 시스템과 같이 유해가스를 배출하지 않고 교통 혼잡을 완화할 수 있는 친환경 대중교통 시스템(Eco-friendly public transportation)은 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다.
수요응답형 순환교통이 직면하고 있는 어려움은 무엇인가?
그 중에서도, 수요응답형 순환교통(PRT: Personal Rapid Transit) 시스템은 그 가능성 때문에 주목을 받고 있으며, 첨단 전기 자동차(EV) 개발 기술과의 융합을 통해서 경쟁력은 보다 향상되고 있다. 하지만 전기 배터리에 의해 구동되는 차량의 경우 안정적이고 효율적인 운영의 측면에서 기술적인 어려움에 직면하고 있다. 본 논문에서는, 기술적인 난제를 극복하고 전기에너지를 기반으로 한 교통수단의 보급을 증대하기 위하여 태양전지에 의한 보조 전력 공급을 위한 설계적 접근방법에 대해서 모형실험을 통해서 논한다.
참고문헌 (12)
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M. Kaltenbrunner, M.S. White, E.D. G owacki, T. Sekitani, T. Someya, N.S. Sariciftci, S. Bauer (2012) Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility, Nature Communications, 3:770, pp. 1-7.
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