발명의 배경 및 필요성

기술 발전의 중요성

• 포터블 기기, 웨어러블 기술, IoT(사물인터넷) 기기 사용 증가로 지속 가능한 에너지 사용이 중요해짐
• 기기들은 주로 배터리를 사용하나, 배터리 수명과 교체 가능성이 사용성과 지속 가능성에 제한을 줌
• 에너지 하베스팅 기술은 주변 환경에서 미활용 에너지를 수집해 전력을 생성하여 배터리 수명을 연장하고 기기 자체 전력 공급 가능성을 제공함
• 태양광, 열에너지, 기계적 진동 등 다양한 에너지 소스를 활용할 수 있으며, 특히 태양광을 이용한 에너지 하베스팅이 널리 연구 및 적용됨

에너지 하베스팅 기술의 필요성

• 에너지 하베스팅 기술의 핵심인 최대전력점 추적(MPPT) 방법은 수집된 에너지의 최대 활용을 위해 필수적임
• 기존 MPPT 방법은 효율성과 전력 소모 측면에서 개선이 필요하며, 특히 소규모 에너지 하베스팅 분야에서 적용의 한계가 있음
• 더 효율적이고 전력 소모가 적은 새로운 MPPT 방식의 개발은 소형 장치들의 지속 가능성 향상, 배터리 수명 연장, 유지 관리 비용 절감 및 사용자 경험 개선에 기여할 것임
• 에너지 효율성과 지속 가능한 기술 사용의 중요성이 증가하는 현대 사회에서 중요한 연구 분야임

구현방법

기술의 원리 및 구현

• 본 기술은 태양광과 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환해 배터리를 충전하며, 태양광 셀을 사용해 빛을 전기로 변환하는 과정에서 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)을 통해 전력을 가장 효율적으로 생산함
• 주 태양광 셀과 작은 크기의 보조 태양광 셀을 사용해 주 태양광 셀의 최대 전력점을 정확하게 예측하고, DC-DC 부스트 변환기를 포함해 태양광 셀에서 생성된 낮은 전압을 배터리 충전에 적합한 더 높은 전압으로 변환함
• 변환기 구성 요소로는 인덕터, nMOS 스위치, 쇼트키 다이오드가 있으며, 충전 회로는 오실레이터와 시동 회로, 배터리 관리 회로를 포함해 배터리의 충전 과정을 제어함
• 0.35㎛ CMOS 공정으로 설계되어 면적 측면에서도 효율적임

기술의 장점

• MPPT 기능을 통해 최대 3%의 전력 효율 향상 및 최대 86.2%의 높은 효율을 달성함
• 주 태양광 셀의 최대 전력점을 정확하게 예측하여 배터리 충전 과정을 중단하지 않고 지속적으로 에너지를 수확할 수 있으며, 배터리 관리 회로를 통해 배터리의 충전 상태를 모니터링하고 필요에 따라 충전을 시작하거나 중단할 수 있음

실험 및 결과

실험 목적 및 방법

• MPPT 기능을 적용한 태양광 발전 시스템의 전력 효율 향상을 검증하기 위해 모의실험을 통해 MPPT 기능의 효과와 전력 효율을 측정함

실험 결과

• MPPT 기능을 적용함으로써 최대 3%의 전력 효율 향상과 최대 86.2%의 높은 효율을 달성하여 기술의 우수성을 입증함

활용 방안 및 기대효과

태양광 기술의 활용

• 태양광을 이용해 작은 전자 장치, 센서, 인체 심는 장치에 지속 가능한 전력을 공급할 수 있음
• 최대전력점 추적(MPPT) 기능으로 변동하는 환경에서도 최적의 전력 추출이 가능하며, 작은 태양광 셀이나 낮은 빛 조건에서도 효율적인 에너지 수확을 달성함
• 배터리 교체가 어려운 장치에도 신뢰성과 사용 시간을 향상시키는 전력 공급 솔루션으로 활용됨

기대되는 효과

• MPPT를 통한 에너지 수확 최적화로 태양광 발전 시스템의 효율성 및 신뢰성이 향상될 것으로 기대됨
• 낮은 입력 전압에서도 효율적으로 작동하여 다양한 환경과 조건에서 배터리 충전 및 전력 공급이 용이해짐
• 친환경적인 전력 공급 방법으로 배터리 교체 필요성이 감소하고, 장치의 지속 가능한 사용을 가능하게 하여 환경 보호에 기여함
• 기존 기술 대비 우수한 성능과 효율적인 에너지 수확으로 태양광을 이용한 자가 충전 분야에서 기술적 혁신 및 시장 확대가 기대됨

시장 동향

에너지 하베스팅 시장 동향

• 땀 성분인 젖산을 전기로 바꾸는 필름형 바이오 연료전지 개발로 에너지 하베스팅 기술의 효율이 크게 향상됨
• 체온에서 전기를 생산하는 기술의 상용화 가능성이 높아짐에 따라 열-전기화학 전지의 효율이 높아짐
• 압력이 가해지면 전기를 생산하는 압전소자의 기능을 포함한 에너지 하베스팅 기술 개발로 투입 에너지 대비 6000%의 효율 달성
• 전기차 배터리의 열을 활용하여 난방 효율을 높이는 에너지 하베스팅 기술 연구 진행
• 스마트외장재·설비 융복합 기술개발을 통해 에너지 하베스팅 외장재시스템 개발 진행

태양광 시장 동향

• 2021년 태양광발전 설치량이 역대 최대가 될 것으로 전망됨
• 2025년까지 효율 30% 이상의 초고효율 HJT 태양전지 모듈 양산 계획
• 2030년까지 태양광 생산비용이 50% 하락할 것으로 예측
• 글로벌 태양광 수요가 지속적으로 상승세
• 2030년까지 태양광 및 풍력 생산비용이 각각 50%, 20% 절감될 것으로 예측