KR100994706B1 - 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터 - Google Patents

풍력 진동 압전식 에너지 하비스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력에 의하여 구동되는 압전식 에너지 하비스터(energy harvester)에 관한 것으로, 풍압에 의한 진동, 막상(膜狀) 구조체의 공탄성(空彈性) 진동 및 점축유로(漸縮流露)내 변압 진동을 통하여, 판상 압전체의 진동을 유발함으로써 전력을 생산할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 풍력 에너지 하비스터의 구성을 간소화하여 제작 및 유지관리 비용을 절감하고, 압전판에 풍력이 직접 작용하도록 함으로써 동력손실을 최소화하고 발전효율을 증대하며, 압전판에 대한 물리적 직접 타격을 배제함으로써 압전판의 파손을 방지하고 전체 장치의 내구성을 제고하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

풍력 진동 압전식 에너지 하비스터{VIBRATION ENERGY HARVESTER USING WIND}
본 발명은 풍력에 의하여 구동되는 압전식 에너지 하비스터(energy harvester)에 관한 것으로, 풍압의 직접 작용에 의한 진동, 막상(膜狀) 구조체를 통과하는 기류에 의한 공탄성(空彈性) 진동 및 점축유로(漸縮流露)내 비정상류(非定常流)에 의한 변압 진동을 통하여, 판상 압전체의 진동을 유발함으로써 전력을 생산할 수 있도록 한 것이다.
에너지 하비스터란 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지 형태로 변환하는 장치를 일컫는 것으로, 버려지는 에너지를 수집한다는 의미에서 에너지 스캐빈저(energy scavenger)라고도 불리운다.
에너지 하비스터는 그 용어 자체의 사용이 비교적 근래이 이루어졌을 뿐, 인류가 고대로부터 사용하던 에너지획득 방식과 일맥상통하는 것으로, 수차(水車)나 풍차(風車)도 광의의 에너지 하비스터라 할 수 있으나, 수력발전 또는 풍력발전 등 대규모 설비를 필요로 하는 산업용 발전시설과의 구분을 위하여 비교적 간소한 구성으로 단위 장치당 소량의 전력을 생산하는 수단을 협의의 에너지 하비스터로 구분하고 있다.
이러한 에너지 하비스터용 발전(發電)수단으로서 압전체(壓電體)를 들 수 있는데, 압전체는 물리적 변형을 전력으로 변환하는 것으로, 발전을 위한 장치 구성이 간단할 뿐 아니라 공해를 배출하지 않으므로 에너지 하비스터의 도입 취지에 가장 부합되는 발전수단이라 할 수 있다.
압전체란 외력에 의한 변형이 발생되면 분극(分極)이 유도되고 이 분극에 의하여 전기장이 형성되는 압전효과(piezoelectric effect)가 발현되는 물체를 일컫는 것으로, 대표적인 예로서 납-지르코늄-티타늄 복합산화물(PZT, lead zirconate titanate)을 들 수 있다.
압전판은 판상(板狀)으로 성형된 압전체로서, 압전판에 인장 및 압축력이 작용함에 따라 서로 반대방향의 전류가 발생되는데, 저면지지, 양단지지 및 캔틸레버(cantilever) 등 구조역학적 양태에 따른 외력작용시 변형 및 출력전류 파형이 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 압전판의 구조 중 하단에 도시된 캔틸레버는 변형 및 진동 효율 측면에서 가장 유리한 형태라 할 수 있으며, 도시된 구조는 캔틸레버형 압전판의 자유단에 외력을 가하여 변형시킨 후 외력을 해제하여 진동을 유발한 것으로, 하방으로 변형시 캔틸레버의 상부면 및 하부면에 각각 인장응력 및 압축응력이 발생되고, 상방으로 변형시 반대로 캔틸레버의 상부면 및 하부면에 각각 압축응력 및 인장응력이 발생되는 바, 캔틸레버의 진동이 소멸되는 시점까지 변형(δ)과 동위상(同位相) 또는 대칭위상의 교류전류가 발생된다.
이러한 압전체, 특히 캔틸레버형 압전판 방식의 발전은 유도전류를 이용하는 전통적인 발전 방식에 비하여 기계적 측면에서 간소한 구성이 가능하기 때문에, 에너지 하비스터의 발전수단으로서 활용될 수 있으며, 풍력을 동력원으로 사용하는 압전판식 발전은 통상 로터(rotor) 또는 프로펠러 등 기류를 기계적 운동으로 변환하는 기구와 압전판을 조합하여 로터 또는 프로펠러와 연결된 타격수단이 압전판을 타격하도록 함으로써 압전판의 변형 및 진동을 유발하는 방식으로 작동되는데, 그 대표적인 예로서 공개특허 제2010-36524호를 들 수 있다.
종래의 풍력 압전식 발전 즉, 로터 또는 프로펠러의 기계적 타격에 의한 압전 방식에는 다음과 같은 문제점이 있다.
우선 발전효율 측면에서, 일단 풍력에너지를 로터 또는 프로펠러의 회전운동으로 변환한 후, 회전축, 기어 등을 통하여 타격수단으로 전달하고, 최종적으로 타격수단이 압전판을 타격하는 과정을 거치는 바, 동력의 손실이 발생될 수 밖에 없으며, 따라서 발전효율에 한계가 있을 뿐 아니라, 저풍속에서는 작동이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 압전판을 포함한 전체 장치의 내구성 및 유지관리 측면에서, 로터 또는 프로펠러 등의 회전체는 물론 각종 회전축 및 기어 등 복잡한 동력전달수단이 구성되는 바, 이들 기계요소의 조합 및 연결을 위한 복잡한 본체구성이 필요할 뿐 아니라 베어링 등 부속장치가 필수적으로 구성되어야 하므로, 전체 장치의 간소화에 한계가 있을 수 밖에 없고 주기적인 점검 및 부속교체 작업이 수반되며, 따라서 과도한 제작비용 및 유지관리비용이 소요되는 문제점이 있다.
특히, 압전판이 반복적으로 타격되는 과정에서 일종의 취성체라 할 수 있는 압전판에 과도한 충격 및 피로응력이 발생되어 압전판이 파손되는 심각한 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 풍력에 의하여 변형되는 판상(板狀)의 압전체가 설치된 에너지 하비스터(energy harvester)에 있어서, 일단은 고정대(21)에 고정되고, 자유단인 타단부에는 질량추(15)가 장착된 기초압전판(11)과, 기초압전판(11)의 자유단에 일단이 직각으로 접합되고, 자유단인 타단부에는 질량추(15)가 장착된 접합압전판(12)으로 구성되고, 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)이 기류(氣流)에 노출되어 진동함을 특징으로 하는 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터이다.
또한, 연결판(25)에 의하여 연결되는 한쌍의 고정대(21)에 각각 기초압전판(11)이 설치되되, 기초압전판(11)의 일단은 고정대(21)에 고정되고, 각각의 기초압전판(11) 자유단에는 접합압전판(12)의 일단이 직각으로 접합되며, 상기 접합압전판(12)들의 자유단은 공탄막(31)으로 연결되고, 기초압전판(11), 접합압전판(12) 및 공탄막(31)이 기류(氣流)에 노출되어 진동함을 특징으로 하는 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터이며, 지지대(42)의 양단에 각각 설치되는 한쌍의 고정대(21)에 각각 기초압전판(11)의 일단이 고정되고, 자유단인 기초압전판(11)의 타단에는 각각 만곡판(41)이 설치되되, 만곡판(41)간 거리가 점차 근접하며, 기초압전판(11) 및 만곡판(41)이 기류(氣流)에 노출되어 진동함을 특징으로 하는 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터이다.
본 발명을 통하여, 풍력 에너지 하비스터의 구성을 간소화하여 제작 및 유지관리 비용을 절감하고, 압전판에 풍력이 직접 작용하도록 함으로써 동력손실을 최소화하고 발전효율을 증대하며, 압전판에 대한 물리적 직접 타격을 배제함으로써 압전판의 파손을 방지하고 전체 장치의 내구성을 제고하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 압전판의 발전방식 설명도
도 2는 L자형 복합 압전판이 적용된 본 발명의 일 실시예 사시도
도 3은 도 2 실시예의 작동방식 설명도
도 4는 공탄막이 적용된 본 발명의 일 실시예 사시도
도 5는 도 4 실시예의 작동방식 설명도
도 6은 만곡판이 적용된 본 발명의 일 실시예 사시도
도 7은 도 6 실시예를 통과하는 기류상태 모식도
도 8은 도 6 실시예의 작동방식 설명도
본 발명의 상세한 구성 및 원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선 도 2는 풍압의 직접 작용에 의한 진동이 발생되는 L자형 복합 압전판으로서, 도시된 바와 같이, 고정대(21)에 일단이 고정된 캔틸레버형 기초압전판(11)의 자유단에 역시 캔틸레버형 압전판인 접합압전판(12)이 직각으로 접합된 구조를 가진다.
이들 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)의 자유단측 단부에는 고유진동수 조절을 위한 질량추(15)가 결합되며, 고정대(21) 내부에는 정류 및 평활회로 등이 내장되고 고정대(21) 후단에는 출력단자(22)가 구성되어 발전 및 정류된 전류를 출력하게 된다.
도 3은 도 2 실시예의 진동상태를 도시한 것으로, 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)에 작용하는 기류에 의하여 이들 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)이 진동하게 되는데, 기류가 정상상태(定常狀態)를 유지할 경우 즉, 유속과 방향이 계속 일정하게 유지될 경우 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)의 진동이 점차 감쇄되어 결국 변형된 상태에서 진동을 멈추게 되지만, 자연상태에서 정상상태의 기류는 존재할 수 없으므로 기류가 작용하는 한 기초압전판(11) 및 접합압전판(12)은 계속 진동하게 된다.
도 4는 막상(膜狀) 구조체를 통과하는 기류에 의한 공탄성(空彈性) 진동을 통하여 압전판의 진동을 유발하는 것으로서, 전술한 L자형 복합 압전판 한쌍을 대칭으로 연결 고정하고, 접합압전판(12) 상단부를 공탄막(空彈膜)(31)으로 연결하여 진동을 유발하는 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 공탄막(31)에 의하여 연결된 한쌍의 L자형 복합 압전판은 각각의 고정대(21)가 연결판(25)에 결합되어 연결 및 고정되며, 공탄막(31)은 가급적 긴장상태를 유지할 수 있도록 연결되어 진동 주파수를 확보한다.
도 4에서와 같이 공탄막(31)을 통과하는 기류에 의하여, 도 5에 도시된 바와 같이 공탄막(31)에 진동이 발생되며 그에 따라 접합압전판(12) 및 기초압전판(11)에도 진동이 발생된다.
도 4 및 도 5에서와 같이, 양단이 지지된 판상 또는 막상 구조체를 수평방향 또는 이와 근사한 방향의 기류가 통과할 경우 공기력에 의하여 발생되는 정적현상 및 동적현상에 의하여 구조체의 변형 내지 진동이 유발된다.
우선 정적현상에 있어서는 양력(揚力, lift), 항력(抗力, drag) 및 횡력(橫力, side force)과 이들을 축으로 하는 요잉모멘트(yawing moment), 롤링모멘트(rolling moment) 및 피칭모멘트(pitching moment)의 6분력이 작용하며, 이들 6분력은 해석적으로는 정적 변형만을 유발하지만, 앞서 언급한 바와 같이, 실제 자연상태에서는 정상상태의 기류는 존재할 수 없으므로, 상기 6분력의 변화에 따른 진동이 발생될 수 있다.
동적현상으로는 주로 저풍속대에서 구조물 후면 와류에 의하여 발생되는 와려진동(渦勵振動, voltex induced oscillation), 자려진동(自勵振動)의 일종인 갤로핑(galloping), 주로 고풍속대에서 발생되는 비틀림 플러터(torsional flutter) 및 연성(連性) 플러터 등을 들 수 있으며, 정적현상에 의한 진동에 비하여 고주파의 맹렬한 진동이 발생된다.
이렇듯, 공탄막(31)을 통과하는 기류에 의하여 유발된 공탄막(31)의 진동은 도 5에서와 같이 접합압전판(12) 및 기초압전판(11)의 진동을 유발하여 전류가 발생되게 된다.
도 6은 점축유로(漸縮流露)내 기류에 의한 변압(變壓) 진동을 통하여 기초압전판(11)의 진동을 유발하는 것으로, 도시된 바와 같이, 서로 평행한 기초압전판(11) 한쌍을 지지대(42)의 양단에 이격 설치하고, 기초압전판(11)의 말단 즉, 자유단에 만곡판(41)을 접합하되 만곡판(41)간 거리가 선단부 측으로 점차 근접하도록 구성한 것이다.
이러한 도 6의 실시예를 통과하는 기류는 도 7에서와 같은 유선을 형성하게 되는데, 도시된 바와 같이, 한쌍의 기초압전판(11) 사이로 진입한 기류는 만곡판(41) 사이를 통과하면서 흐름폭이 점차 축소됨에 따라 유속이 점차 높아지게 되나, 기초압전판(11) 및 만곡판(41) 외측 공간에서는 유속의 변화가 없으므로 만곡판(41) 사이의 압력이 낮아지면서 상대적으로 높은 만곡판(41) 외측 압력에 의하여 만곡판(41)이 서로 근접하는 방향으로 변형된다.
만일 본 발명의 만곡판(41)에 작용하는 기류의 유속 및 방향이 항시 일정하게 유지되는 정상상태라면 만곡판(41)은 일정 수준의 변형을 유지한 상태로 정지하게 되지만, 자연상태에서는 정상상태의 기류는 존재할 수 없으므로, 도 8에서와 같이, 만곡판(41)은 근접과 이격을 반복하면서 진동하게 되고 그에 따라 기초압전판(11) 또한 진동하게 된다.
도 8은 만곡판(41) 내, 외측 공간의 압력 및 유속 벡터(vector)를 모식화한 것으로, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 일단 만곡판(41) 내부 유속의 증가 및 압력 감소로 인하여 만곡판(41)이 서로 근접하다가 밀착되어 유로가 폐쇄되면, 만곡판(41) 내부 공간의 순간적인 압력증가로 인하여 만곡판(41) 및 기초압전판(11)이 외측으로 과변형되며, 이후 복원, 근접 및 밀착을 반복하면서 진동하게 되는 것이다.
이상에서와 같은 본 발명을 통하여, 직접 타격 및 운동변환 기계요소를 배제한 간소한 구성으로도 효율적인 발전이 가능하고, 에너지 하비스터의 내구성 및 유지관리 편의성을 확보할 수 있다.
11 : 기초압전판
12 : 접합압전판
15 : 질량추
21 : 고정대
22 : 출력단자
25 : 연결판
31 : 공탄막(空彈膜)
41 : 만곡판
42 : 지지대

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 풍력에 의하여 변형되는 판상(板狀)의 압전체가 설치된 에너지 하비스터(energy harvester)에 있어서,
    연결판(25)에 의하여 연결되는 한쌍의 고정대(21)에 각각 기초압전판(11)이 설치되되, 기초압전판(11)의 일단은 고정대(21)에 고정되고;
    각각의 기초압전판(11) 자유단에는 접합압전판(12)의 일단이 직각으로 접합되며;
    상기 접합압전판(12)들의 자유단은 공탄막(31)으로 연결되고;
    기초압전판(11), 접합압전판(12) 및 공탄막(31)이 기류(氣流)에 노출되어 진동함을 특징으로 하는 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터.
  3. 풍력에 의하여 변형되는 판상(板狀)의 압전체가 설치된 에너지 하비스터(energy harvester)에 있어서,
    지지대(42)의 양단에 각각 설치되는 한쌍의 고정대(21)에 각각 기초압전판(11)의 일단이 고정되고;
    자유단인 기초압전판(11)의 타단에는 각각 만곡판(41)이 설치되되, 만곡판(41)간 거리가 점차 근접하며;
    기초압전판(11) 및 만곡판(41)이 기류(氣流)에 노출되어 진동함을 특징으로 하는 풍력 진동 압전식 에너지 하비스터.
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