KR101048881B1 - Wave power generator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파력 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전 소자를 이용하는 파력 발전 장치에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a wave power generator, and more particularly, to a wave power generator using a piezoelectric element.

본 발명에 따른 파력 발전 장치는, 복수개가 서로 교차되어 그물 구조를 이루며, 파도의 상하 운동에 따라 형상이 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 압전 와이어; 압전 와이어의 양단 및 교차점에 형성되어, 압전 와이어를 해상에 부유시키며, 파도의 상하 운동에 따른 압전 와이어의 변형 작용점으로 작용하는 부표; 압전 와이어 각각에서 발생되는 전기 에너지를 정류하는 정류 회로; 및 정류된 전기 에너지를 합성하여 외부로 출력하는 출력 단자를 포함한다.Wave power generation apparatus according to the present invention, a plurality of cross-crosses each other to form a net structure, the piezoelectric wire for deforming the shape according to the vertical motion of the wave to generate electrical energy; Buoys formed at both ends and intersections of the piezoelectric wires to float the piezoelectric wires on the sea, and act as deforming points of the piezoelectric wires according to the vertical motion of the waves; A rectifying circuit for rectifying electrical energy generated in each of the piezoelectric wires; And an output terminal for synthesizing the rectified electric energy and outputting it to the outside.

본 발명은 압전 소자를 이용하여 파력 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 것과 아울러, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 대규모 전기 에너지를 생성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 파력 발전 장치를 손쉽고 간단하게 구성할 수 있는 효과가 있다.The present invention can be used to convert the wave energy into electrical energy by using a piezoelectric element, can improve the energy conversion efficiency, there is an effect that can generate a large-scale electrical energy. In addition, the present invention has the effect that can be configured easily and simply the wave power generator.

파력 발전, 압전 와이어, PZT, PVDF Wave power generation, piezoelectric wire, PZT, PVDF

Description

파력 발전 장치{apparatus for wave power generation}Wave power generator {apparatus for wave power generation}

본 발명은 파력 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전 소자를 이용하는 파력 발전 장치에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a wave power generator, and more particularly, to a wave power generator using a piezoelectric element.

최근, 전 세계적으로 화석 연료 사용에 따른 환경오염 문제, 에너지 고갈 문제 등이 심각하게 대두되면서, 대체 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대체 에너지로는 풍력 에너지, 수력 에너지, 파력 에너지, 태양 에너지, 바이오 에너지 등이 각광받고 있다.Recently, as the environmental pollution and energy depletion problems caused by the use of fossil fuels have emerged seriously, research on alternative energy is being actively conducted. Alternative energy sources are wind energy, hydro energy, wave energy, solar energy, and bio energy.

특히, 파력 에너지를 대체 에너지로 이용하는 방법으로는, 파도의 높이 변화에 따른 해수면의 상하 운동을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 파력 발전 방식이 있다. 파력 발전 방식에는 바다에 발전 장치를 부유하는 방식과, 연안에 발전 시설을 설치하는 방식이 있다. 현재 실용화되어 있는 파력 발전 장치는, 파도에 의한 해수면의 상하 운동을 피스톤으로 공기의 흐름으로 만들어 공기 터빈을 일정한 방향으로 회전시켜서 발전기를 구동하고 전기 에너지를 생산하는 구조를 가지고 있다.In particular, as a method of using wave energy as an alternative energy, there is a wave power generation method that produces electric energy by using the vertical motion of the sea level according to the change of the height of the wave. There are two types of wave power generation methods: floating power generation units in the sea and installing power generation facilities on the coast. The wave power generator currently in use has a structure in which a vertical movement of the sea level caused by waves is used as a flow of air by a piston to rotate an air turbine in a constant direction to drive a generator and produce electrical energy.

이와 같은 대체 에너지들은 깨끗하고 고갈될 염려가 없을 뿐 아니라 무공해 재생이 가능하다는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 너무 낮아 많은 양의 에너지를 필요로 하는 곳에서는 실용성이 적고, 태양열이나 풍력은 기후에 영향을 받기 때문에 보조 발전 시설이 필요하며, 다른 대체 에너지들도 효율성이나 경제성이 적다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 세계 각국에서는 화석 연료와 원자력을 대체할 수 있고, 환경과 인체에 해를 입히지 않으면서도 장기간에 걸쳐 대량으로 사용할 수 있는 대체 에너지 개발에 노력하고 있다.While these alternatives have the advantage of being clean and free of depletion and being renewable and non-polluting, they are not practical where energy density is so low that a large amount of energy is needed, and solar or wind influence the climate. Because of this, a secondary power plant is needed, and other alternative energies also have the disadvantage of being less efficient or economical. Therefore, countries around the world are trying to develop alternative energy that can replace fossil fuels and nuclear power and can be used in large quantities over a long period without harming the environment or human body.

한편, 상기의 대체 에너지들을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 장치에는, 회전력을 이용하는 발전 터빈과, 외부의 압력을 이용하는 압전 소자 등이 있다. 압전 소자는 전기 에너지 발생 효율이 비교적 낮지만, 발전 터빈과 비교하여 그 구조가 상대적으로 간단하다. 이 때문에, 손가락의 지압을 이용한 휴대용 전화기 충전 장치, 보행 중 운동 에너지를 이용한 군용 목적으로 개발된 무전기 충전기, 도로의 노면에 압전 소자를 포설하고 통행하는 차량의 압력에 의해 발생되는 전기 에너지를 이용한 교통표시기 전원공급 장치 등과 같이 소규모 전력용 발전 장치들은 활발히 개발되고 있으나, 대규모 전기 에너지를 생성하기 위한 발전 장치들의 개발은 미미한 실정이다.On the other hand, the apparatus for generating electrical energy by using the above alternative energy, there is a power turbine using a rotational force, a piezoelectric element using an external pressure. Piezoelectric elements have a relatively low electrical energy generation efficiency, but their structure is relatively simple as compared with power turbines. For this reason, a mobile phone charging device using acupressure of a finger, a walkie talkie charger developed for military purposes using kinetic energy while walking, and traffic using electric energy generated by the pressure of a vehicle that installs and passes a piezoelectric element on a road surface Small-scale power generators, such as indicator power supplies, have been actively developed, but the development of power generators for generating large-scale electrical energy is insignificant.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 압전 소자를 이용하여 파력 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a wave power generation device capable of converting wave energy into electrical energy using a piezoelectric element.

또한, 본 발명은 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a wave power generation device that can improve the energy conversion efficiency.

또한, 본 발명은 대규모 전기 에너지를 생성할 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a wave power generation device capable of generating large-scale electrical energy.

또한, 본 발명은 손쉽고 간단하게 구성할 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a wave power generation apparatus that can be configured easily and simply.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another problem to be solved by the present invention not mentioned here is those skilled in the art from the following description. Will be clearly understood.

본 발명에 따른 파력 발전 장치는, 복수개가 서로 교차되어 그물 구조를 이루며, 파도의 상하 운동에 따라 형상이 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 압전 와이어; 압전 와이어의 양단 및 교차점에 형성되어, 압전 와이어를 해상에 부유시키며, 파도의 상하 운동에 따른 압전 와이어의 변형 작용점으로 작용하는 부표; 압 전 와이어 각각에서 발생되는 전기 에너지를 정류하는 정류 회로; 및 정류된 전기 에너지를 합성하여 외부로 출력하는 출력 단자를 포함한다.Wave power generation apparatus according to the present invention, a plurality of cross-crosses each other to form a net structure, the piezoelectric wire for deforming the shape according to the vertical motion of the wave to generate electrical energy; Buoys formed at both ends and intersections of the piezoelectric wires to float the piezoelectric wires on the sea, and act as deforming points of the piezoelectric wires according to the vertical motion of the waves; A rectifying circuit for rectifying electrical energy generated in each of the piezoelectric wires; And an output terminal for synthesizing the rectified electric energy and outputting it to the outside.

본 발명의 파력 발전 장치는 부표에 연결되며, 수중으로 연장되는 압전 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The wave power generator of the present invention is further connected to a buoy, characterized in that it further comprises a piezoelectric wire extending underwater.

본 발명의 압전 와이어는, 중심을 이루는 제1 전극과, 제1 전극의 외주면에 형성되는 압전체와, 압전체의 외주면에 형성되는 제2 전극과, 제2 전극의 외주면에 형성되는 외부 보호막을 포함하는 것을 특징으로 한다.The piezoelectric wire of the present invention includes a first electrode serving as a center, a piezoelectric body formed on the outer circumferential surface of the first electrode, a second electrode formed on the outer circumferential surface of the piezoelectric body, and an outer protective film formed on the outer circumferential surface of the second electrode. It is characterized by.

본 발명의 압전체는 PZT와 PVDF를 혼합한 단층의 가요성 압전체인 것을 특징으로 한다.The piezoelectric body of the present invention is characterized by being a single layer flexible piezoelectric material in which PZT and PVDF are mixed.

본 발명의 외부 보호막은 폴리염화비닐 또는 폴리우레탄 중 어느 하나의 폴리머 절연체인 것을 특징으로 한다.The outer protective film of the present invention is characterized in that the polymer insulator of any one of polyvinyl chloride or polyurethane.

본 발명의 파력 발전 장치는 정류 회로와 출력 단자 사이에 형성되며, 전기 에너지를 저장하는 이차 전지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The wave power generator of the present invention is formed between the rectifier circuit and the output terminal, characterized in that it further comprises a secondary battery for storing electrical energy.

본 발명의 출력 단자는 해상에 부유하는 부유식 출력 단자 또는 해저로 연장되는 해저식 출력 단자 중 어느 하나의 출력 단자인 것을 특징으로 한다.The output terminal of the present invention is characterized in that the output terminal of any one of the floating output terminal floating on the sea or the subsea output terminal extending to the seabed.

상기 과제 해결 수단에 의해, 본 발명은 압전 소자를 이용하여 파력 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 효과가 있다.By the said means solution, this invention has the effect which can convert a wave energy into electrical energy using a piezoelectric element.

또한, 본 발명은 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of improving the energy conversion efficiency.

또한, 본 발명은 대규모 전기 에너지를 생성할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of generating a large-scale electrical energy.

또한, 본 발명은 파력 발전 장치를 손쉽고 간단하게 구성할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect that can be configured easily and simply the wave power generator.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 해수면에 위치하는 파력 발전 장치를 해수면 상에서 본 평면을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view for explaining a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention. Specifically, the plan view showing the wave power generating apparatus located on the sea surface seen from the sea surface.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치는 압전 와이어(110), 부표(120), 정류 회로(130) 및 출력 단자(140)를 포함한다.As shown in FIG. 1, a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric wire 110, a buoy 120, a rectifier circuit 130, and an output terminal 140.

압전 와이어(110)는 외력에 의해 형상이 변형될 때 전기 에너지를 발생시키는 일종의 압전 소자로서, 일방향으로 연장되는 와이어 형상을 이룬다. 압전 와이어(110)는, 도 1에서 횡방향 또는 종방향으로 일단으로부터 타단까지 연장되는 와이어 자체를 하나 단위로 하여, 복수개가 서로 교차하여 그물 구조를 이룬다. 여기서, 도 1에서는 횡방향 또는 종방향으로만 교차하여 격자 형상을 나타내고 있으나, 필요에 따라서는 이를 가로질러 대각선 방향으로 교차시키거나, 곡선을 이루는 압전 와이어를 포함시켜도 무방하다. The piezoelectric wire 110 is a kind of piezoelectric element that generates electrical energy when the shape is deformed by an external force, and forms a wire shape extending in one direction. The piezoelectric wire 110 has a wire structure extending from one end to the other end in one unit in the lateral direction or the longitudinal direction in FIG. Here, in FIG. 1, the lattice shape is shown by crossing only in the transverse direction or the longitudinal direction. If necessary, the piezoelectric wire may cross or cross diagonally or include a curved piezoelectric wire.

이와 같은 구조의 압전 와이어(110)는 파도의 상하 운동에 연동하여 형상이 변형되는 것에 의하여 파력 에너지로부터 전기 에너지를 생성한다.The piezoelectric wire 110 having such a structure generates electrical energy from wave energy by being deformed in conjunction with the vertical motion of the wave.

본 발명의 파력 발전 장치의 에너지 변환 효율을 더욱더 향상시키기 위한 압전 와이어(110)의 구성, 특징 등에 관한 보다 상세한 설명은, 다음의 도 2 및 3을 참조하여, 후술하기로 한다.A more detailed description of the configuration, features, and the like of the piezoelectric wire 110 for further improving the energy conversion efficiency of the wave power generator of the present invention will be described later with reference to FIGS. 2 and 3.

부표(120)는 수면에 뜰 수 있는 부체로서, 압전 와이어(110)의 양단 및 교차점에 형성된다. 부표(120)는 부력으로 압전 와이어(110)를 해상에 부유시키며, 파도의 상하 운동에 따라 높낮이가 변하여 압전 와이어(110)의 기계적 변형을 주게 되는 변형 작용점으로 작용한다.The buoy 120 is a float which floats on the surface of the water, and is formed at both ends and intersections of the piezoelectric wires 110. The buoy 120 floats the piezoelectric wire 110 by the buoyancy on the sea, and acts as a deformation point to give a mechanical deformation of the piezoelectric wire 110 by changing its height according to the vertical motion of the wave.

정류 회로(130)는 교류를 직류로 정류하는 브릿지 정류 회로로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 와이어(110)의 각각의 일단에 연결된다.The rectifier circuit 130 is a bridge rectifier circuit for rectifying alternating current into direct current, and is connected to one end of each of the piezoelectric wires 110, as shown in FIG. 1.

압전 와이어(110)는 상하 방향으로 휘어짐에 따라 서로 다른 극성의 전기 에너지를 발생시키므로, 압전 와이어(110)로부터 출력되는 전기 에너지의 기전력은 양과 음을 교번하는 교류 전압 파형을 가지게 된다. 복수의 압전 와이어(110) 각각에서 출력되는 교류 전압 파형의 전기 에너지를 그대로 합성할 경우, 양의 극성을 갖는 전기 에너지와 음의 극성을 갖는 전기 에너지가 서로 상쇄되어, 출력 단자(140)로 전달되는 전기 에너지의 기전력이 충분하지 못할 우려가 있다. Since the piezoelectric wire 110 is bent in the vertical direction to generate electrical energy of different polarity, the electromotive force of the electrical energy output from the piezoelectric wire 110 has an alternating voltage waveform alternating positive and negative. When synthesizing the electrical energy of an AC voltage waveform output from each of the plurality of piezoelectric wires 110 as it is, the electrical energy having a positive polarity and the electrical energy having a negative polarity cancel each other and are transmitted to the output terminal 140. There is a fear that the electromotive force of the electric energy is not sufficient.

따라서, 본 발명의 일실시예에서는 복수의 정류 회로(130) 각각을 압전 와이어(110) 각각에 연결하여 압전 와이어(110)의 외부로 출력되는 전기 에너지를 하나의 극성, 바람직하게는 양의 극성만을 갖는 직류 전압 파형으로 정류한다. Therefore, in one embodiment of the present invention by connecting each of the plurality of rectifier circuits 130 to each of the piezoelectric wires 110, the electrical energy output to the outside of the piezoelectric wires 110, one polarity, preferably a positive polarity Rectify to DC voltage waveform with only.

출력 단자(140)는 전기 회로에서 전기 에너지를 출력하는 단자으로서, 각각의 정류 회로(130)와 연결된다. 출력 단자(140)는 각각의 정류 회로(130)로부터 출력되는 전기 에너지를 합성하여 파력 발전 장치의 외부로 출력한다. The output terminal 140 is a terminal for outputting electrical energy from an electrical circuit, and is connected to each rectifier circuit 130. The output terminal 140 synthesizes the electrical energy output from each rectifier circuit 130 and outputs it to the outside of the wave power generator.

출력 단자(140)는 출력되는 전기 에너지의 용량에 따라 서로 다른 구성의 단 자를 사용하도록 한다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치를, 양식장의 자가 전원으로 활용하는 경우, 부표 또는 등대의 조명의 자가 전원으로 활용하는 경우 등 소규모 전기 에너지원으로 사용할 때에는, 출력 단자(140)는 소규모 발전 용량에 맞는 회로 구성을 가지도록 한다. 반면, 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치를, 대용량 파력 발전 플랜트로 사용하는 경우, 도서 지역의 자가 전원으로 사용하는 경우 등 대규모 전기에너지원으로 사용할 때에는, 출력 단자(140)는 대규모 발전 용량에 맞추어 회로 구성을 달리하도록 한다.The output terminal 140 uses terminals of different configurations according to the capacity of the output electrical energy. For example, when the wave power generator according to an embodiment of the present invention is used as a self-power source of a farm, when used as a small electric energy source such as a buoy or a light source of a light source, the output terminal 140 Has a circuit configuration suitable for small power generation capacity. On the other hand, when the wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention is used as a large-scale wave power generation plant, when used as a large-scale electrical energy source, such as when the island is used as a self-power source, the output terminal 140 is a large-scale power generation The circuit configuration should be different according to the capacity.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치는 압전 와이어(110)를 통해 파력 에너지를 변환하여 생성된 전기 에너지를 외부로 출력하여 사용함으로써, 별도의 연료와 환경오염 없이, 생성된 전기 에너지를 사용할 수 있다.As such, the wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention outputs and uses electrical energy generated by converting wave energy through the piezoelectric wire 110 to the outside, thereby generating electricity without additional fuel and environmental pollution. You can use energy.

또한, 본 발명의 일실시예에서는, 파도의 상하 운동에 연동하여 직접 압전 와이어(110)의 형상을 변형함으로써, 파력 에너지로부터 전기 에너지를 직접 생성할 수 있는 점, 압전 와이어(110)가 일방향으로 연장되는 와이어 형상을 이룸으로써, 운동 방향이 다양한 파도의 특성에 부합시킬 수 있는 점, 복수의 압전 와이어(110)가 그물 구조를 이룸으로써, 각 해양의 수면파, 즉 파도의 특성에 맞도록 그물 구조를 조절할 수 있는 점 등에서 손실을 최소화하고, 압전 와이어(110)를 이용하여 대부분의 파력 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 사용함으로써, 파력 발전 장치의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, by directly modifying the shape of the piezoelectric wire 110 in conjunction with the vertical motion of the wave, the piezoelectric wire 110 in one direction, which can directly generate electrical energy from the wave energy. By forming an extended wire shape, the direction of movement can be matched to the characteristics of the various waves, the plurality of piezoelectric wires 110 form a net structure, the net to match the characteristics of the surface waves, that is, waves of each ocean By minimizing the loss in terms of the structure can be adjusted, and using the piezoelectric wire 110 to convert most of the wave energy into electrical energy, it is possible to improve the energy conversion efficiency of the wave power generator.

또한, 본 발명 일실시예에 따른 파력 발전 장치는 그 크기의 제한이 없어, 압전 와이어(110)와, 그에 연결된 부표(120) 및 정류 회로(130)의 개수를 늘림으로 써, 대규모 전기 에너지를 생성할 수 있다. 예를 들면, 도 1의 그물 구조의 파력 발전 장치를 하나의 세트로 하여, 복수의 그물 구조 세트를 해수면에 띄워 놓는 것에 의해 대규모 전기 에너지를 생성할 수 있다. In addition, the wave power generator according to an embodiment of the present invention is not limited in size, and by increasing the number of the piezoelectric wire 110, the buoy 120 and the rectifier circuit 130 connected thereto, a large-scale electrical energy Can be generated. For example, large-scale electric energy can be generated by floating a plurality of sets of net structures on the sea surface by using the net wave power generator of FIG. 1 as one set.

또한, 본 발명 일실시예의 파력 발전 장치는 상기의 압전 와이어(110), 부표(120), 정류 회로(130) 및 출력 단자(140)만으로 구성하여 충분히 파력 발전을 할 수 있기 때문에, 회전력을 이용하는 발전 터빈 등과 비교하여 그 구조가 상대적으로 간단하다. 따라서, 본 발명 일실시예의 파력 발전 장치를 손쉽고 간단하게 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치를 해상에 던져 놓는 것으로, 설치가 간단히 이루어진다.In addition, the wave power generation apparatus of an embodiment of the present invention is composed of only the piezoelectric wire 110, the buoy 120, the rectifier circuit 130 and the output terminal 140 can generate a sufficient wave power, it is possible to use the rotational force The structure is relatively simple as compared with a power turbine. Therefore, the wave power generation device of one embodiment of the present invention can be easily and simply configured. In addition, by throwing the wave power generating apparatus according to an embodiment of the present invention at sea, the installation is simple.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어의 형상 및 그 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어을 포함하는 파력 발전 장치의 전체 회로 구성을 나타낸 도면이다.2 and 3 are diagrams for explaining the piezoelectric wire according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 2 is a view schematically showing a shape of a piezoelectric wire and a cross section thereof according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an overall circuit configuration of a wave power generation apparatus including a piezoelectric wire according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어(110)는 제1 전극(111), 압전체(112), 제2 전극(113) 및 외부 보호막(114)을 포함한다.2 and 3, the piezoelectric wire 110 according to an embodiment of the present invention may include the first electrode 111, the piezoelectric body 112, the second electrode 113, and the external protective layer 114. Include.

압전체(112)는 내주면에 제1 전극(111) 형성되고, 외주면에 제2 전극(113)이 형성되어, 중심 부분이 천공된 관 형상을 이룬다. 압전체(112)는 형상의 변화에 의해 전기 에너지를 발생시키는 가요성 재질의 압전체로서, 바람직하게는 PZT(Lead zirconate titanate; ‘압전 세라믹’이라고도 함)와 PVDF(Polyvinylidene fluoride; ‘폴리비닐덴 플로라이드’라고도 함)를 혼합한 단층의 압전체를 사용한다. The piezoelectric body 112 has a first electrode 111 formed on an inner circumferential surface thereof, and a second electrode 113 formed on an outer circumferential surface thereof to form a tubular shape in which a central portion thereof is perforated. The piezoelectric body 112 is a flexible piezoelectric material that generates electrical energy by changing its shape. Preferably, the piezoelectric body 112 is PZT (Lead zirconate titanate; also referred to as 'piezoelectric ceramic') and PVDF (Polyvinylidene fluoride; A single layer piezoelectric material, which is mixed with " ', is used.

PZT와 PVDF는 모두 압전 효과를 일으키는 물질로서, PZT는 경화성을 가지는 압전 세라믹이고, PVDF는 가요성을 가지는 압전성 고분자 물질이다. PZT는 경화성이기 때문에 압력이 가해지는 방향의 힘의 크기에 대해서만 전기 에너지의 기전력 크기가 좌우되어 일정 압력 이상에서만 기전력을 발생시키는 단점을 가지지만, 동일 압력에 대해 PVDF와 비교하여 상대적으로 큰 기전력의 전기 에너지를 발생시키는 장점을 가진다. PVDF는 동일 압력에 대해 PZT와 비교하여 상대적으로 작은 기전력의 전기 에너지를 발생시키는 단점을 가지지만, 가요성이기 때문에 미세한 압력에서도 전방향으로 변형하여 전기 에너지를 발생시키는 장점을 가진다. PZT and PVDF are both piezoelectric effects, PZT is a curable piezoelectric ceramic, and PVDF is a flexible piezoelectric polymer material. PZT has the disadvantage of generating electromotive force only above a certain pressure because the electromotive force of electric energy depends only on the magnitude of the force in the direction in which pressure is applied, but PZT has a relatively large electromotive force compared to PVDF for the same pressure. Has the advantage of generating electrical energy. PVDF has the disadvantage of generating electrical energy of relatively small electromotive force compared to PZT for the same pressure, but because of its flexibility, it has the advantage of generating electrical energy by deforming in all directions even at a minute pressure.

본 발명의 일실시예에 따른 압전체(112)는 상기 두 물질을 혼합함으로써, 경화성을 배제하여 미세한 압력에도 기전력을 발생시킬 수 있고, 혼합되는 PZT를 통하여 PVDF만의 전기 에너지 발생 효율을 충분히 극복할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일실시예에서는 파력 발전 장치의 에너지 변환 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다. 압전체(112)는, PZT 분말과 PVDF 분말을 혼합하여 용융한 후, 이를 분극 처리한 단층의 혼합 압전체를 형상, 두께 등의 필요에 따라 소성 가공하여 제조한다. The piezoelectric body 112 according to an embodiment of the present invention may generate electromotive force even at a minute pressure by removing the curability by mixing the two materials, and may sufficiently overcome the electrical energy generation efficiency of PVDF only through the mixed PZT. have. Thus, in one embodiment of the present invention it is possible to further improve the energy conversion efficiency of the wave power generator. The piezoelectric body 112 is produced by mixing and melting PZT powder and PVDF powder, and then plastically processing the mixed piezoelectric material of the polarized single layer as needed, such as shape and thickness.

제1 전극(111)과 제2 전극(113)은 구리, 알루미늄 등의 금속 전도체로서, 압전체(112)의 내면과 외면 각각에 형성된다. 구체적으로, 제1 전극(111)은 압전 와이어(110)의 중심을 이루고, 제1 전극(111)의 외주면에는 압전체(112)가 형성되며, 압전체(112)의 외주면에는 제2 전극(113)이 형성된다. 제1 전극(111)과 제2 전 극(113)은 파력에 의해 압전체(112)가 변형될 때 발생되는 전기 에너지를 압전 와이어(110)의 외부로 출력한다. The first electrode 111 and the second electrode 113 are metal conductors such as copper and aluminum, and are formed on the inner and outer surfaces of the piezoelectric body 112, respectively. Specifically, the first electrode 111 forms the center of the piezoelectric wire 110, the piezoelectric body 112 is formed on the outer peripheral surface of the first electrode 111, the second electrode 113 on the outer peripheral surface of the piezoelectric body 112. Is formed. The first electrode 111 and the second electrode 113 output electrical energy generated when the piezoelectric body 112 is deformed by the wave force to the outside of the piezoelectric wire 110.

외부 보호막(114)은 제2 전극(113)의 외주면에 형성되며, 압전 와이어(110)를 외부로부터 절연하고 보호한다. 특히, 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어(110)는 해양에서 사용되므로, 해수에 견딜 수 있는 내구성과 내부식성이 중요하다. 따라서, 외부 보호막(114)은 해수에 잘 견딜 수 있도록 폴리염화비닐 또는 폴리우레탄 중 어느 하나의 폴리머 절연체를 사용하는 것이 바람직하다.The outer passivation layer 114 is formed on the outer circumferential surface of the second electrode 113 and insulates and protects the piezoelectric wire 110 from the outside. In particular, since the piezoelectric wire 110 according to an embodiment of the present invention is used in the ocean, durability and corrosion resistance that can withstand seawater is important. Therefore, the outer protective film 114 preferably uses a polymer insulator of either polyvinyl chloride or polyurethane to withstand seawater well.

이와 같이 구성되는 압전 와이어(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 정류 회로(130) 및 출력 단자(140)와 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 발생되는 전기 에너지는 직류 전압 파형의 전기 에너지로 변환되고 외부로 출력되어, 필요에 따라 사용하게 된다.The piezoelectric wire 110 configured as described above is electrically connected to the rectifier circuit 130 and the output terminal 140 as shown in FIG. 3. As a result, the generated electrical energy is converted into electrical energy of a DC voltage waveform and output to the outside to be used as needed.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 4의 (a)에서 도 4의 (b)로 파도가 상하 운동을 함에 따른 압전 와이어(110)의 상태를 나타낸 것이다. 도 4에 도시되지 않은 파력 발전 장치의 주요 구성 요소에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하기로 한다. 4 is a view for explaining the operating characteristics of the wave power generator according to an embodiment of the present invention. Specifically, Fig. 4 (a) to 4 (b) shows the state of the piezoelectric wire 110 as the wave moves up and down. Reference will be made to FIGS. 1 to 3 for main components of the wave power generator not shown in FIG. 4.

도 4에 도시된 바와 같이, 점선으로 표시된 해수면을 기준으로 하여 파도가 (a)에서 (b)로 상하 운동을 할 때, 부표(120)는 부력에 의해 그 높낮이가 변하게 된다. 부표(120)의 높낮이가 변화하는 것이 압전 와이의 변형 작용점으로 작용하게 되고, 압전 와이어(110)는 그 형상이 변형되어 전기 에너지를 발생시킨다. 이로써, 파도의 상하 운동 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 하나의 사이클이 완료된 다.As shown in FIG. 4, when the wave moves up and down from (a) to (b) based on the sea level indicated by the dotted line, the buoy 120 changes its height due to buoyancy. The change of the height of the buoy 120 acts as a deformation point of the piezoelectric wire, and the piezoelectric wire 110 is deformed to generate electrical energy. This completes one cycle of generating electrical energy from the up and down kinetic energy of the waves.

여기서, 파도가 (a)에서 (b)로 변하는 파형을 이룰 때, 하나의 압전 와이어(110)가 이 파형 상에 위치함으로써, 변형이 가장 크게 이루어져, 발전 효율이 향상된다. 즉, (a)에서 (b)로 변하는 파형을 사인파의 하나의 주기 내에서 반파장으로 보면, 하나의 압전 와이어(110)의 길이가 이 반파장의 길이와 같아질 때, 가장 효율적으로 전기 에너지를 생성할 수 있다. 따라서, 설치 지역의 파도의 특성에 따라, 가장 효율이 높은, 그물 구조의 크기, 압전 와이어(110)의 간격, 압전 와이어(110)의 길이 등을 미리 설계하여 파력 발전 장치를 제조하도록 한다.Here, when the wave forms a waveform varying from (a) to (b), since one piezoelectric wire 110 is placed on this waveform, deformation is greatest and power generation efficiency is improved. In other words, when the waveform changing from (a) to (b) is half-wave within one period of the sine wave, when the length of one piezoelectric wire 110 is equal to the half-wave length, the most efficient electric energy is generated. Can be generated. Therefore, according to the characteristics of the wave of the installation area, the most efficient, the size of the net structure, the spacing of the piezoelectric wire 110, the length of the piezoelectric wire 110, etc. to design in advance to produce a wave power generation device.

<다른 실시예><Other Embodiments>

(A) 본 발명의 다른 실시예에서는 부표와 연결되며, 수중으로 연장되는 압전 와이어를 더 포함한다. 이로써, 파도의 상하 운동 에너지뿐만 아니라, 파도의 좌우 운동 에너지를 이용하여 압전 와이어의 형상을 변형하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력 발전 장치는 에너지 변환 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.(A) Another embodiment of the present invention further includes a piezoelectric wire connected to the buoy and extending underwater. As a result, the shape of the piezoelectric wire may be modified by using the left and right kinetic energy of the wave as well as the up and down kinetic energy of the wave to generate electrical energy. Therefore, the wave power generator according to another embodiment of the present invention can further improve the energy conversion efficiency.

(B) 본 발명에서는 해상에 부유하는 부유식 출력 단자 또는 해저로 연장되는 해저식 출력 단자 중 어느 하나의 출력 단자를 사용하여도 무방하다. 부유식 출력 단자는 압전 와이어의 부근 일방에 형성되는 경우로, 주로 소규모 발전을 하는 경우에 적합하다. 또한, 해저식 출력 단자는 해저까지 연장된 후, 연안 등에서 끝단을 형성하는 경우로, 주로 대규모 발전을 하는 경우에 적합하다.(B) In the present invention, any one of a floating output terminal floating on the sea or a subsea output terminal extending to the sea bottom may be used. The floating output terminal is formed in one vicinity of the piezoelectric wire, and is mainly suitable for small-scale power generation. In addition, the subsea output terminal extends to the sea floor, and then forms an end on the coast, etc., and is mainly suitable for large-scale power generation.

(C) 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파력 발전 장치는 정류 회로와 출력 단자 사이에 형성되는 이차 전지를 더 포함한다. 이차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 저장해 두었다가 필요한 때에 전기로 재생하는 일종의 축전지로서, 본 발명에서는 압전 와이어에서 발생되는 전기 에너지를 저장해 두었다가 필요한 때에 사용하는 것이 가능하다. 이차 전지는 본 발명에 따른 파력 발전 장치의 정류 회로와 출력 단자 사이에 직접 설치 가능한 것으로, 주로 소규모 발전을 하는 경우에 적합하다. 반면, 대규모 발전의 경우에는 SMES(Superconducting magnetic energy storage)와 같은 대전력 저장 장치를 사용하는 것도 가능하다.(C) The wave power generator according to still another embodiment of the present invention further includes a secondary battery formed between the rectifier circuit and the output terminal. A secondary battery is a type of storage battery that converts electrical energy into chemical energy and stores and regenerates electricity when needed. According to the present invention, it is possible to store and use electrical energy generated from a piezoelectric wire when needed. The secondary battery is directly installable between the rectifier circuit and the output terminal of the wave power generator according to the present invention, and is mainly suitable for small-scale power generation. On the other hand, in the case of large-scale power generation, it is also possible to use a large power storage device such as superconducting magnetic energy storage (SMES).

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. As such, the technical configuration of the present invention described above can be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modifications derived from an equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어의 형상 및 그 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing the shape of a piezoelectric wire and its cross section according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 와이어을 포함하는 파력 발전 장치의 전체 회로 구성을 나타낸 도면이다.3 is a view showing the overall circuit configuration of a wave power generation apparatus including a piezoelectric wire according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파력 발전 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining the operating characteristics of the wave power generator according to an embodiment of the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>

110 : 압전 와이어110: piezoelectric wire

111 : 제1 전극111: first electrode

112 : 압전체112: piezoelectric

113 : 제2 전극113: second electrode

114 : 외부 보호막114: outer protective film

120 : 부표120: buoy

130 : 정류 회로130: rectifier circuit

140 : 출력 단자140: output terminal

Claims (7)

복수개가 서로 교차되어 그물 구조를 이루며, 파도의 상하 운동에 따라 형상이 변형되어 전기 에너지를 발생시키는 압전 와이어;A plurality of piezoelectric wires crossing each other to form a net structure, the shape of which is deformed according to the vertical motion of the wave to generate electrical energy; 상기 압전 와이어의 양단 및 교차점에 형성되어, 상기 압전 와이어를 해상에 부유시키며, 상기 파도의 상하 운동에 따른 상기 압전 와이어의 변형 작용점으로 작용하는 부표;Buoys formed at both ends and intersections of the piezoelectric wires to float the piezoelectric wires on the sea, and act as deforming points of the piezoelectric wires according to vertical movements of the waves; 상기 압전 와이어 각각에서 발생되는 전기 에너지를 정류하는 정류 회로; 및A rectifier circuit for rectifying electrical energy generated in each of the piezoelectric wires; And 상기 정류된 전기 에너지를 합성하여 외부로 출력하는 출력 단자;An output terminal for synthesizing the rectified electric energy and outputting it to the outside; 를 포함하는 파력 발전 장치.Wave power generation device comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 부표에 연결되며, 수중으로 연장되는 압전 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.And a piezoelectric wire connected to the buoy and extending underwater. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 압전 와이어는, The piezoelectric wire, 중심을 이루는 제1 전극과, A first electrode forming a center; 상기 제1 전극의 외주면에 형성되는 압전체와, A piezoelectric body formed on an outer circumferential surface of the first electrode; 상기 압전체의 외주면에 형성되는 제2 전극과, A second electrode formed on an outer circumferential surface of the piezoelectric body, 상기 제2 전극의 외주면에 형성되는 외부 보호막을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.And an external protective film formed on an outer circumferential surface of the second electrode. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 압전체는 PZT와 PVDF를 혼합한 단층의 가요성 압전체인 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.And the piezoelectric material is a single layer flexible piezoelectric material comprising PZT and PVDF. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 외부 보호막은 폴리염화비닐 또는 폴리우레탄 중 어느 하나의 폴리머 절연체인 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.The outer protective film is a wave power generator, characterized in that the polymer insulator of any one of polyvinyl chloride or polyurethane. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 정류 회로와 상기 출력 단자 사이에 형성되며, 상기 전기 에너지를 저장하는 이차 전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.And a secondary battery formed between the rectifier circuit and the output terminal and storing the electrical energy. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 출력 단자는 해상에 부유하는 부유식 출력 단자 또는 해저로 연장되는 해저식 출력 단자 중 어느 하나의 출력 단자인 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.The output terminal is a wave power generation apparatus, characterized in that any one of the floating output terminal floating in the sea or the submarine output terminal extending to the seabed.
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