칸자키 켄타로(Kanzaki Kentarou) (주)오에스 사업전략팀 리더

타카노 아키히로(Takano Akihiro) 후지전기시스템즈(주) 에너지솔루션본부 그리드솔루션사업 태양광시스템총괄 기획부 주석

만남

스크린 제작사인 오에스에 어느 날 한 통의 전화가 걸려왔다. 전화의 주인공은 미국 후지전기로, 이들은 여러 차례 아몰퍼스 태양전지의 상품화를 시도했지만 두루마리 기구 제작에 실패를 거듭하고 있었다. 그래서 일본의 두루마리 상품을 취급하는 제조업체를 찾아 협력 의뢰를 취하고 있었지만 좋은 대답을 얻을 수 없었다고 한다. 오에스와 후지전기의 담당자는 곧바로 만나 아몰퍼스 태양전지의 상품을 소개했다. 그것이 ‘FWAVE’이다. 이번 기사에서 소개할 모바일 솔라 유닛 ‘GSR-110B(사진 2)’의 코어 부분에 해당하는 것이다.

이 두 회사는 아무도 할 수 없는 것, 클린 에너지의 필요성과 장래성, 그리고 플렉시블 시트의 실용화라고 하는 생각이 일치해 조속히 두루마리 원리 시험제작품을 만들게 되었다. 이것이 모바일 솔라 유닛 개발의 시작이다.

주식회사 오에스는 영사용 스크린 제작사로, 반세기 이상의 실적을 가진 기업이다. ISO14001를 비롯해 GPN(Green Purchasing Network)이나 챌린지25 등에도 대처해 일본 최초의 에코 마크 인정 스크린을 개발하는 등, 일찍부터 지구 환경 부하가 적은 상품의 개발을 ES(EarthSatisfaction)로 명명해 몰두하고 있다. 그러나 부재의 공유화나 제품의 내구성 개선 등 생산 에너지 효율의 향상과 삭감 등에 대처하는 한편, 환경보전에 직접 기여하는 제품이 적은 것은 기업 성장의 숙제로 남고 있다.

한편, 후지전기시스템즈는 1992년 ‘후지전기의 환경보호 기본방침’을 신속히 책정해 신에너지 기기, 에너지 절약 기기 등, 관련 기술을 고객에게 제공해 왔다. 특히 깨끗하고 무한한 태양광발전 시스템을 중심사업으로 삼고 있다. 태양전지 모듈의 개발에도 일찍부터 착수하고 있으며, 가볍고 유연한 아몰퍼스 모듈의 기술을 확립했다(사진 1). 기존의 지붕 설치 시장에는 참가하고 있었지만, 유연함을 살린 특징 있는 제품화가 실현되지 못하고 있었다.

아몰퍼스 태양전지의 개요

태양전지는 그림 1에 나타나 있는 구성 재료로 분류된다. 현재 주류가 되고 있는 실리콘계를 비롯해, CdTe 태양전지나 CIGS 태양전지로 주목받아온 화합물계, 한층 더 연구 개발이 활발해진 색소 증감 및 유기계 등으로 나눌 수 있다. 그 중 실리콘계는 단결정 혹은 다결정의 웨이퍼로 구성되는 결정계 태양전지와, 플라즈마 프로세스로 실리콘 박막을 형성한 박막계 태양전지로 이루어진다.

박막계 태양전지의 구성 재료로써 아몰퍼스 실리콘을 사용한 것을 아몰퍼스 태양전지 또는 아몰퍼스 실리콘 태양전지라고 칭한다. 반도체인 아몰퍼스 실리콘막에 의해 p-i-n 적층구조(다이오드)를 형성하면 태양전지가 된다. 다이오드에 태양광이 비추면 정공과 전자가 생겨 각각이 다이오드의 내부 전계(電界)에 따라 이동해 전극에 도달한다. 이것에 의해 외부로 전류를 방출할 수 있게 된다.

누구나 안전하게 사용할 수 있는 저전압 아몰퍼스 시트

오에스에서는 제품 상용화의 격투가 시작되었다. 우선은 FWAVE를 통한 실제 태양광 데이터 획득이 화두가 됐다. 시트는 직렬로 연결되기 때문에 시트가 길어질수록 전압(V)이 증가하는 구조로 되어 있다. 당초의 시험제작품은 많은 발전을 할 수 있는 3.7m의 시트를 선택했다. 이 시트는 최대 429V 사양으로, 시트의 반대극에 ＋, -의 전극이 있어 두루마리 롤러측(같은 방향)으로부터 전기를 끌어내려면 시트 상에 배선해야만 한다.

어느 날 오에스의 개발 멤버가 부주의하게 사무소 내에서 시트를 펼쳐 배선 작업을 하고 있었다. 그러던 중 ‘파직!’ 하는 소리와 함께 감전됐다. 어찌된 일인지 사무소의 형광등으로도 태양전지가 발전한 것이다. 다행히 큰 사고는 일어나지 않았다. 태양광 이외의 빛에서도 발전한다는 사실에  놀라움과 함께, 고객들이 휴대할 수 있도록 하기 위해서는 충분한 안전 대책이 필요할 것이라고 생각하게 만든 사건이었다.

일반적으로 인간에게 감전되지 않는 전압이란 42V(죽음의 전압)라고 하는 것을 후지전기로부터 알게 되었다. 이 이상의 전압이 되면 감전되어 사람이 죽을 가능성이 있다는 것이다. 더욱이 후지전기에서도 다양한 시험제작품을 실시, 16W 병렬접속 타입의 아몰퍼스 태양전지 시트를 제조할 수 있다는 견해를 오에스에게 제시했다.

콘셉트

한 번 더 상품개발 콘셉트로 되돌아와 누구에게, 몇 시, 어디서, 어떻게 사용하게 할지 재검토에 들어갔다. 많은 태양광발전 관련 상품 중 오에스와 후지전기의 강점을 발휘할 수 있는 새로운 상품은 무엇일까. 시트타입 발전기가 가지는 특징과 가반성·경량·설치·수납을 포인트로 ‘어디든지 운반하고, 누구라도 사용할 수 있다’는 태양광발전기, 특히 재해 시의 정보 통신계 기기의 클린 에너지 충전기로써 타깃을 명확하게 했다. 재해 시는 불특정 다수가 사용할 것이라고 예측되어 안전하게 안심하고 사용할 수 있는 저전압 타입이 최적이라고 확신했다.

두루마리 기구

후지전기가 가장 기대한 것이 이 두루마리 기구이다. 단순하게 파이프에 감은 것을 꺼내는 것은 간단하지만, 다시 말아 넣을 때가 문제가 됐다. 단순하게 용수철의 힘으로 감으려고 해도 시트가 어느 정도 자루의 힘을 갖게 되어 케이스 내에 부풀어 올라 제대로 감을 수 없는 것이다. 또, 시트를 꺼낼 때 사용자가 기대하는 위치에 고정할 수 없다면 사용하기 불편하다. 오에스는 스크린 제작 시 사용한 ‘용수철 승수’와 ‘볼 스톱’ 기술력을 응용했다. 용수철 승수는 스크린 두루마리의 경험치를 살린 선택이 이용되고 있다. 또한 볼 스톱은 오에스가 전매특허를 취득하고 스크린 위치 결정의 주류가 된 ‘멈춤 기구’이다(그림 2). 남은 문제는 시트 길이와 발전량의 밸런스였다.

전지와의 격투

두루마리 기구와 시트가 완성되었기 때문에 상품화의 목표는 거의 이루었다고 생각했다. 그러나 실제 사용할 경우를 가정해 휴대전화나 포터블 텔레비전 등에의 충전 시뮬레이션을 실시했더니 충전이 잘 되지 않았다. 그 이유는 일조 조건 등에 의해 발전량에 변화가 생기기 때문이었다. 시트를 야외에서 측정했더니 전압과 전류치 모두 향상 변동했다. 전압에 대해서는 컨버터를 사용해 안정시키고 있었지만 태양이 구름 안에 숨으면 발전량이 큰 폭으로 감소해, 탑재하고 있는 리튬 이온 배터리의 수명을 단축시킬 가능성이 있는 것을 알게 되었다. 이 때문에 안정적인 전원 공급을 가능하게 할 필요가 있었다.

제품 특징

태양전지는 직류 발전한다. 일반 가정 등은 파워컨디셔너 등을 이용해 교류로 변환해 사용하고 있거나 또는 스마트 그리드 기기를 사용해 전력회사가 전기를 사주고 있지만, 직류에서 교류로 변환할 때 발전한 전기를 변압하려면 변환 로스가 발생한다. 우리는 애써 발전한 전기를 가능한 한 효율적으로 사용해 필요에 따라서 교류에서도 사용할 수 있도록 하고 싶다고 생각했다.

세계로 눈을 돌리면 여러 가지 전압이 있다. 그러나 직류의 세계에서 사용되고 있는 것은 휴대전화 등에서 보급되어 있는 5V와 자동차 배터리로 사용하는 12V 또는 24V인 것을 알 수 있었다.

24V는 대형 트럭에서 사용하는 것으로, 일반 사람은 보통 이용할 기회가 적다. 때문에 5V와 12V에 대응할 수 있도록 했다. 또한 배터리에 대해서도 전압 문제뿐만 아니라, 자연 방전이나 내구성이라고 하는 과제에 대해 최적의 대응이 가능한 니켈수소전지를 사용하기로 했다.

일조 조건에 따라 변동하는 발전량을 안정적으로 공급시키는 과제를 극복하고, ‘자동차 용품을 사용하면 여러 가지로 양산 파트가 판매되고 있기 때문에 고객도 저렴한 가격으로 조달할 수 있어 사용할 수 있는 용도가 확대된다’는 생각으로 12V 배터리 및 시가 소켓을 표준 탑재하기로 결정했다. 아몰퍼스 태양전지는 최대 16W 1A의 전기를 발전할 수 있어 3~5시간 정도로 빈 탑재 전지를 충전할 수 있다.

또한, 보다 큰(장시간) 전력을 공급할 수 있는 본체 연결도 채용하기로 했다. 더욱이 외부 증설 배터리와 접속함으로써 용량 확대도 가능하게 했다.

모바일의 세계로

운반하는 것을 생각했을 때 경량화가 큰 과제였다. 어디에서라도 간편하게 취급하고 옮길 수 있게 하기 위해서 중량 23kg을 실현하고, 동시에 견고성에도 배려할 필요가 있다. 그 때문에 중량 비중을 배터리보다 케이싱에 충당하고 낙하 등에 의한 충격 강도를 강화하고 있다.

케이스 사이즈는 운반에 편리한 전체 길이 500mm 정도의 원통형으로 이루어져 있다. 야외에서 태양광을 발전해 충전하기 때문에 내고저온대책·내수·내녹·내풍의 가공을 본체에 실시하고 있다.

제품의 주된 사양

표 1에 본 제품의 주된 사양을 나타낸다. 또한 표 2에는 구동 대상이 되는 기기의 소비 전력과 구동 시간의 기준을 나타낸다.

적용 사례

본 제품은 재해 발생시의 비상용 전원을 상정해 소화기와 같이 초기 대응용으로써 사용하는 것을 목적으로 개발되었다. 통상은 방재 창고 등에 보관되어 있는 것을 전제로 해, 각 지역의 초·중학교가 가진 방재 무선에의 충전, 피해 상황을 기록하는 디지털 카메라에의 충전, 사진을 메일로 송신하기 위해서 휴대전화나 노트북컴퓨터에의 충전, 또한 LAN 회선이 살아 있는 경우라면 라우터나 모뎀에 전원을 공급하는 등의 응용을 할 수 있다(그림 3).

피난소에 있어서는 LED 조명은 물론 방재 라디오 대신에 휴대 원세그(모바일 기기를 대상으로 하는 일본의 디지털 TV 방송 기술)를 사용해 휴대용 TV나 원격지와의 TV 전화로써 이용할 수 있다.

그 이외의 용도로는 각종 야외 이벤트의 음향기기나 스피커 등에 급전하거나 건축 현장에서 이용하는 등 본격 발전이 가능하며, 각종 클린 에너지 계발이나 기업의 이미지 향상에 이용하는 것도 가능하다.

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