태양전지 백업용 하이브리드 에너지 저장 장치

June 9, 2024

에너지 하베스팅은 배터리 같은 제한적인 에너지원이 제공할 수 있는 한계 이상으로 전력 공급을 확장하기 위해 자연 발생적인 에너지를 활용합니다. 이 접근법은 에너지원의 전반적인 효율을 향상시키고 배터리 충전 시기를 늦추며 신뢰성이 낮은 재생 가능 에너지원으로부터 디바이스 성능을 향상시킵니다. 지속 가능성의 추구는 설계 엔지니어에게 이러한 유한 에너지원을 넘어 완전히 재생 가능한 솔루션인 태양 전지로 옮겨가고자 하는 동기를 부여합니다. 태양 전지(PV) 셀이라고도 하는 이러한 장치들은 광전지 효과를 통해 태양의 방사 에너지를 사용 가능한 전기 에너지로 한 단계에 변환합니다. 이 효과는 포지티브 및 네거티브하게 충전된 실리콘과 접촉하여 전계를 생성합니다.

-이러한 독립적인 마이크로 발전기는 로컬 부하에만 전력을 공급하므로 그리드 시스템에 대한 부담을 줄일 뿐 아니라 소유자의 에너지 비용을 절감해 줍니다. 태양전지 애플리케이션에는 우선 '오프 그리드' 주택을 들 수 있고, 그 밖에 거리의 전자 사이니지나, 원격지에 설치되어 무선으로 연결되는 소규모 IoT 기기들(센서 및 액추에이터 포함)도 있습니다. 태양전지의 에너지원은 무료이기 때문에, 이러한 에너지의 이상적인 발전 형태는 태양을 무한한 에너지원으로 삼아 한 번 "설치한 다음에는 잊어버리는" 것입니다. 하지만 이를 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제들이 있습니다.

태양전지 백업용 하이브리드 에너지 저장 장치 (출처: Alberto Masnovo - stock.adobe.com)

-가장 직접적인 과제는 에너지가 다양한 사용 조건에서 수요에 대한 균형을 잡을 수 있는가 여부입니다. 단거리 및 장거리 IoT 센서는 평균적으로 7 ~ 16.4µA의 에너지를 필요로 합니다. 설계 엔지니어는 특정 에너지원에 맞게 PV 셀을 최적화하고 커패시터를 추가함으로써 보조 전원에 대한 의존성을 줄이고 브리지의 암기(dark periods)를 보완합니다. 커패시터는 누설 전류를 최소화하도록 최적화되어 있습니다. 또한 시스템 설계는 데이터 샘플링, 정보 저장 및 전송을 위한 센서 인터페이스를 요구합니다.

다행히도, 혁신적인 솔루션들을 활용하고 과제의 세부 사항을 근본적으로 이해함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

-과제 해결 방법

DC-DC 컨버터는 태양 전지 어레이로부터 전력을 받아 소형 태양광 마이크로 발전기에서 디바이스에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전력을 생성합니다. 여기서 핵심적인 두 가지 성능 평가 항목은 높은 에너지 효율과 전력 품질입니다. 사용자는 일관된 성능을 제공하는 소형 장치를 기대하기 때문에 이러한 측정 항목은 필수입니다. 그러나 PV 셀에 공급되는 태양 에너지의 가변성은 자립형 태양광 발전 IoT 센서에 다음과 같은 세 가지 주요 과제를 제시합니다:

▶ PV 방사로 인해 불충분한 입력 에너지

▶ 커패시터에 의해 제한된 저장 및 구동 능력

▶ 센서 샘플링, 데이터 저장 또는 전송 장치에 의해 너무 자주 발생하는 과도한 피크 전류

-또 다른 과제로는 온도 제약, 부적합한 전압, 변환 손실, 부적절한 타이밍에서의 에너지 방전, 그리고 센서의 노화/성능 저하가 있습니다. 이러한 비효율성과 손실로 인해 전원 공급이 불안정해지고, 새그(sag)나 리플(ripple)이 발생할 수 있습니다.

또한 태양 에너지는 하루 중 일부에만 공급되며 다양한 강도로 태양 전지 셀로 들어갑니다. 이러한 비일관성은 IoT 기기의 성능 품질을 더욱 저하시킵니다. 이처럼 제한된 스토리지 및 과도한 피크 전류로 인해 발생하는 낮거나 일관성 없는 입력 에너지 관련 문제점들은 에너지 부하를 평준화 하기 위한 백업 솔루션의 필요성을 제기합니다.

-에너지 하베스팅 저장 솔루션의 통합 필요성

PV 에너지 하베스터는 하이브리드 스토리지 196 HVC ENYCAP 커패시터(Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP ^™ Capacitor) 같은 첨단 슈퍼커패시터를 사용하여 이 같은 핵심 백업/증강 전력을 제공할 수 있습니다. ENYCAP은 하이브리드 저장 장치인데, 이는 백업 전원을 공급할 수 있는 정전 에너지와 전기 화학 에너지를 모두 저장한다는 뜻입니다. 단일 셀용 1.4V에서부터 다중 셀용 8.4V까지 견고한 전압 유연성을 갖춘 ENYCAP은 레이디얼(스택 스루 홀), 표면실장 플랫 또는 레이 플랫 (lay flat)으로 사용할 수 있습니다.

-이는 높은 커패시턴스로 분극되며, 13Ws/g의 높은 에너지 밀도를 제공하여 패키지 공간을 최소화합니다. 또한 이 커패시터는 유지 보수 또는 서비스 없이 85°C에서 최대 1,000 시간까지 구동이 가능한 내구성을 제공합니다. 또한 196 HVC ENYCAP은 셀 밸런싱을 필요로 하지 않기 때문에 기존의 슈퍼커패시터보다 시간을 절약할 수 있으며, 무해한 전해액을 포함하고 있습니다. 또한 기존의 경쟁 슈퍼커패시터 제품들보다 자체 --방전이 적습니다.

-196 HVC ENYCAP은 에너지 하베스팅용으로 사용되던 기존 커패시터 제품들보다 우수합니다. 이 제품은 하이브리드 에너지 저장 커패시터이며 소형 시스템, 메모리 컨트롤러, SRAM/DRAM, 캐시 보호, 산업용 PC/제어, 비상등, 마이크로 UPS 전원 등의 애플리케이션을 위한 백업 시스템입니다.

-ENYCAP은 위에서 소개한 IoT 센서 애플리케이션에서 초저 누설로 최대 2mA의 하베스트 전력을 제공할 수 있습니다. 이러한 성능 레벨은 역전류를 최소화하여 성능과 효율을 향상시킵니다.

-민수용 및 산업용 전자기기 전반에 걸쳐 재생 가능 태양광 발전 시장 점유율이 확대되고 있는 것을 고려할 때, 디바이스 제조사들은 자사 제품이 일관성 있게 높은 성능을 발휘할 수 있도록 할 필요가 있습니다. 또한 설계자는 재생 가능 에너지의 변동성과 무료로 거의 무한한 에너지 공급의 이점을 고려해야 합니다. 비쉐이(Vishay)의 196 HVC ENYCAP 하이브리드 스토리지 커패시터 같은 에너지 하베스팅 이네이블러를 통합하면 고성능 하이브리드 스토리지 솔루션과 태양 전지 백업을 제공할 수 있습니다.