태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반 센서 시스템 구동 및 환경 모니터링 연구 :A Study on the operation and environmental monitoring of hybrid energy generation and storage device-based sensor system consisting of solar cell/hydrogen fuel cell/battery

차정근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 차정근 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 김수형

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반 센서 시스템 구동 및 환경 모니터링 연구

차정근 나노융합기술학과 2021.01 학위논문

2020

태양광/연료전지 하이브리드 발전 및 배터리 저장 시스템 기반 센서 구동 및 환경 모니터링 연구

차정근 , 김수형 한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집 2020.08 학술대회자료

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본 연구에서는 3 W급의 소규모의 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반의 환경 모니터링용 센서 시스템을 설계 및 제작하고, 사물인터넷을 활용하여 저전력 센서로 온도/습도/압력/가스 및 배터리의 전압을 측정하여 무선 모니터링 연구를 수행하였다. 실리콘 태양전지를 주 전원으로 사용하며 태양광이 충분한 날씨 및 낮 시간대에서는 실리콘 태양전지가 전원관리장치에 전력을 공급하여 소비전력이 500 mW인 센서 시스템을 구동하고, 태양광이 충분하지 않은 날씨 및 밤 시간대에는 부 전원인 고분자 전해질막 수소연료전지가 전원관리장치에 전력을 공급하여 환경 모니터링용 센서 시스템을 구동하였다. 태양전지 및 수소연료전지가 발전하면서 생성되는 전력으로 센서 시스템을 구동하고, 생산된 잉여 전력은 리튬 폴리머 배터리에 저장 시켜 태양전지 및 수소연료전지가 발전하지 못하는 상황에서는 배터리에 저장된 전력을 이용하여 환경 모니터링용 센서 시스템이 멈추지 않고 구동이 가능하도록 구성하였다. 본 연구에서 설계 및 제작한 환경 모니터링용 센서 시스템을 원활하게 구동하고 데이터를 자동으로 기록 및 전송하기 위해 코딩을 하였으며, 환경 모니터링용 센서 시스템을 정상적으로 구동시키고 센서로 측정된 데이터들을 웹 서버로 전송하여 컴퓨터 혹은 휴대폰 등의 전자기기를 이용하여 무선 모니터링이 가능하도록 하였다. 환경 모니터링용 센서 시스템을 실제 실내·외에 설치하여 온도/습도/압력을 측정하였고, 풍동 내의 실험 환경에서 알코올 가스 측정에 대해 모니터링하여 결과를 분석하였다. 결론적으로 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반의 소규모의 저전력 센서 시스템을 설계 및 제작하고 구동함으로써 실내외 관계없이 24시간, 365일 연속적으로 실시간 무선 환경 모니터링이 가능한 시스템을 성공적으로 구현하였다. 태양전지/수소연료전지 하이브리드 에너지 발전 시스템으로 2가지 이상의 신재생에너지원을 활용하였기 때문에 단일 신재생에너지의 단점인 낮은 발전효율과 전력 공급의 불안정성을 효과적으로 보완하고 에너지 저장 장치를 적용함으로써 안정성을 배가시켰으며, 외부 전원을 사용하지 않고도 독립적인 에너지 발전 및 저장이 가능한 하이브리드 에너지 시스템을 설계 및 구현하였다. 본 연구에서 사용한 온도/습도/압력/가스 센서 외에도 다양한 물리/화학/광학적 센서 등에 본 하이브리드 에너지 생산 및 저장 장치를 응용한다면 더 폭넓게 환경 모니터링 분야에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

In this research, we designed and manufactured a sensor system for environmental monitoring based on hybrid energy generation and storage devices composed of small-scale 3 W level of solar cell/hydrogen fuel cell/battery. It was intended to perform wireless monitoring by measuring the temperature/humidity/pressure/gas and voltage of the battery. The solar cell is used as the main power source, and in the weather with sufficient sunlight and during the daytime from 10 am to 17 pm, the solar cell supplies power to the power management device to drive a sensor system with 500 mW of power consumption, and there is insufficient sunlight and bad weather and at night after 17:00 pm, a hydrogen fuel cell, auxiliary power source, supplied power to the power management device to drive the sensor system for environmental monitoring. The sensor system is driven by the power generated by the generation of solar cell and hydrogen fuel cell, and the remaining power is stored in the battery, and in the situation where the solar cell and hydrogen fuel cell cannot generate power, the sensor system for environmental monitoring uses the power stored in the battery. It is configured so that it can be driven without stopping. Coding was designed to drive the sensor system for environmental monitoring designed and manufactured in this research. Using the designed coding, the sensor system for environmental monitoring is normally operated, and the data measured by the sensor is transmitted to a web server to be transferred to a computer or mobile phone. Wireless monitoring was possible using electronic devices such as. A sensor system for environmental monitoring was installed indoors and outdoors to measure temperature/humidity/pressure, and the results were compared and analyzed by monitoring the alcohol gas measurement in the environment inside the wind tunnel. In conclusion, by designing, manufacturing, and driving a small-sized low-power sensor system based on hybrid energy generation and storage devices composed of solar cell/hydrogen fuel cell/battery, a sensor system capable of wireless real-time environmental monitoring regardless of location and time was implemented. As a solar cell/hydrogen fuel cell hybrid energy generation system utilizes more than two types of renewable energy, the low power generation efficiency and instability of power supply, which are the disadvantages of a single renewable energy, have been compensated, and stability has been further increased through an energy storage device. It is designed and implemented so that independent power generation is possible without using an external power source. In addition to the temperature/humidity/pressure/gas sensors used in this study, if this hybrid energy production and storage device is applied to various physical/chemical/optical sensors, it is considered that it can be used in the field of environmental monitoring more widely.

#신재생에너지 #신재생 하이브리드 에너지 발전 #사물인터넷 #환경 모니터링

1. 서 론 1
2. 이론적 배경 11
2.1 신재생에너지 11
2.1.1 신재생에너지의 개요 11
2.1.2 신재생에너지의 현황 13
2.2.3 신재생에너지 하이브리드 시스템의 개요 14
2.2 태양광 발전 16
2.2.1 태양광 발전의 개요 16
2.2.2 태양전지의 구조 및 작동원리 17
2.3 수소연료전지 19
2.3.1 수소연료전지의 개요 19
2.3.2 수소연료전지의 구조 및 작동원리 20
2.4 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 22
2.4.1 사물인터넷의 개요 22
2.4.2 센서의 개요 25
3. 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 연구 26
3.1 연구 배경 및 목적 26
3.2 실험 구성 27
3.2.1 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반 환경 모니터링용 센서 시스템의 설계 및 제작 27
3.2.2 단일 전원을 이용한 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 33
3.2.3 충·방전 상태 모니터링을 위한 배터리 전압 측정 34
3.2.4 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 에너지 발전 및 저장 장치 기반 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 35
3.2.5 사물인터넷 기반 환경 모니터링 36
3.3 실험 결과 및 논의 38
3.3.1 태양전지 단일 전원을 이용한 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 특성 분석 38
3.3.2 수소연료전지 단일 전원을 이용한 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 특성 분석 46
3.3.3 배터리 단일 전원을 이용한 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 특성 분석 49
3.3.4 충·방전 상태 모니터링을 위한 배터리 전압 측정 분석 52
3.3.5 태양전지/수소연료전지/배터리로 구성된 하이브리드 전원을 이용한 환경 모니터링용 센서 시스템의 구동 특성 분석 55
3.3.6 사물인터넷 기반 무선 모니터링 57
3.3.7 온도/압력/습도/가스 센서 기반 환경 모니터링 분석 60
4. 결론 66
참고문헌 67
Abstract 71

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