KR101152085B1 - 압전 셀 발전장치 - Google Patents

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Abstract

유체, 진동, 압력을 포함하는 여러 가지 외력으로부터 효율적으로 전기 에너지를 수확할 수 있는 압전 셀 발전장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치는 외력에 노출되고 내부에 유체가 흐를 수 있는 유체 통로가 형성된 셀, 및상기 유체 통로상에 구비되어 상기 유체의 흐름에 노출된 채 일측이 고정 지지되는 고정단이 되고, 타측이 자유단 혹은 고정단이 되도록 배치된 압전소자를 포함한다. 이와 같은 구성에 의해 진동 및 압력뿐만 아니라 유체의 흐름을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적으로 발전할 수 있는 압전 셀 발전장치가 제공됨으로써, 반 영구적으로 사용이 가능하고 새로운 에너지 시대에 적합한 발전장치를 얻을 수 있다.

Description

압전 셀 발전장치{PIEZOELECTRIC CELL ELECTRIC GENERATOR}
압전 셀 발전장치가 개시된다. 보다 구체적으로 유체, 진동, 압력을 포함하는 여러 가지 외력으로부터 효율적으로 전기 에너지를 수확할 수 있는 압전 셀 발전장치가 개시된다.
최근 휴대용 전자기기의 사용비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 이를 위한 충전장치의 사용도 늘어나고 있다. 일반적인 휴대용 전자기기의 경우 소형 축전지를 사용하여 전자기기를 구동하게 되는데 그 경우 수명이 제한되어 있으며 환경오염을 야기시킬 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 발전장치의 개발이 이루어 지고 있으며, 지속적인 전력공급이 필요한 각종 휴대용 전자기기에 사용되는 발전장치의 개발이 진행 중이다.
휴대용 전자기기 등에 지속적인 전력의 공급을 위해서는 진동, 압력, 유체의 흐름(바람) 등의 다양한 외력을 이용하여 발전할 수 있는 소형 발전 시스템이 필요하다.
이때, 일반적으로 바람을 이용한 발전기술은 프로펠러를 돌려 발전하는 시스템이 주를 이룬다. 일반적인 풍력발전의 형태는 산간지역 등 바람이 많이 부는 곳의 고정된 위치에서 대형 프로펠러를 설치하여 전기를 생산하고, 도시 지역으로 에너지를 전달하는 방식의 시스템을 구성한다. 또한, 진동이나 압력을 이용한 발전기술은 일반적으로 세라믹 압전소자를 사용하여, 인구 유동이 많은 전철이나 공항 등의 바닥에 설치하여 에너지를 수확한다.
하지만, 기존의 풍력발전기는 그 크기와 형태, 상대적인 구성의 복잡성 및 낮은 내구성에 의해 휴대 및 이동에 그 한계가 있어 휴대기기에서는 사용하는 것이 어렵다. 또한, 이러한 풍력발전기는 난류에 의해 발생되는 반복 및 지속적이지 않은 랜덤(random)한 진동 혹은 유체의 흐름을 수확하기에는 굉장히 불리하다.
또한, 세라믹 압전소자를 이용한 경우, 휴대 및 이동이 자유롭다 하더라도 소자의 물리적 유연성이 매우 낮아 바람, 즉 유체의 흐름에 의해 일어나는 압전소자의 변형을 이용한 발전에 한계가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동 및 압력뿐만 아니라 유체의 흐름을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적인 발전을 할 수 있는 압전 셀 발전장치가 제공된다.
또한, 난류에 의한 변형이 용이한 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 재질의 압전소자를 포함하여 최대한 바람의 저항을 적게 받는 대신, 난류를 이용하여 보다 에너지 발전 효율이 높은 압전 셀 발전장치가 제공된다.
또한, 여러 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 집적하는 구조를 구성하여 주어진 힘이 모든 압전소자에 동시에 가해지게 할 수 있는 압전 셀 발전장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치는 외력에 노출되고 내부에 유체가 흐를 수 있는 유체 통로가 형성된 셀, 및 상기 유체 통로상에 구비되어 상기 유체의 흐름에 노출된 채 일측이 고정 지지되는 고정단이 되고, 타측이 자유단 또는 고정단이 되도록 배치된 압전소자를 포함한다. 이때, 타측이 고정단인 경우 고정 시 여유를 두어 유체에 의해 진동할 수 있도록 한다.
일측에 따르면, 상기 유체 통로는 유체의 유출입이 일어나는 제 1 출입구 및 제 2 출입구를 포함하고, 상기 압전소자는 상기 유체 통로의 길이방향으로 배치되어 상기 고정단인 일측은 상기 제 1 출입구에 위치하고, 상기 자유단인 타측은 상기 제 2 출입구를 향하여 위치한다.
일측에 따르면, 상기 압전소자는 하나의 층으로 이루어지거나 복수의 층으로 구성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전소자의 일측이 상기 유체 통로상에 고정되도록 상기 제 1 출입구에 병렬로 배치될 수 있는 적어도 하나의 고정핀을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전소자(120)의 재료는 세라믹소재, PZT, PLZT, PVDF, P(VDF-TrFE), 또는 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 외력은 진동, 압력, 및 유체의 흐름을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 셀의 외면에 돌출되게 구비되고 쌍을 이루어 형성된 +연결부 및 -연결부를 갖는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에 의해 상기 셀이 복수개가 전기적으로 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전소자와 전기적으로 연결되어, 상기 압전소자로부터 발생한 전기에너지를 가용 전기에너지로 정류할 수 있는 정류회로가 구성된 정류부를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 셀의 주위에는 압전 세라믹층이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치는 유체가 흐를 수 있는 유체 통로의 내부에 일단이 고정된 적어도 하나의 압전소자가 구비되고, 상기 압전소자가 상기 유체의 흐름에 노출된 상태로 외력에 의해 진동하고, 이에 따라 전기에너지가 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동 및 압력뿐만 아니라 유체의 흐름을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적으로 발전할 수 있는 압전 셀 발전장치가 제공됨으로써, 반 영구적으로 사용이 가능하고 새로운 에너지 시대에 적합한 발전장치를 얻을 수 있다.
또한, 휴대성이 좋고, 어디에든 장착할 수 있어 지하철이나 자동차 등의 차량 어느 곳에나 장착하여 효율적인 발전이 가능하다.
또한, 바람, 특히 난류에 의한 변형이 용이한 하이브리드 재질의 압전소자를 포함함으로 인해 최대한 바람의 저항을 적게 받는 대신, 보다 에너지 손실이 적은 발전이 가능하다.
또한, 여러 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 다양한 전력의 크기를 출력할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치를 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 압전 셀 발전장치에 압전소자가 구비된 것을 개략적으로 도시한 사시도,
도 3은 압전소자를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 1의 압전 셀 발전장치의 정면도,
도 5는 도 1의 압전 셀 발전장치의 평면도, 그리고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치가 복수개 연결된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 셀 발전장치(100)는 압전소자로부터 발생한 전기에너지를 정류 및 저장할 수 있다. 이러한 압전 셀 발전장치(100)는 고효율 소형의 발전 시스템으로서 소형 발전장치로 사용되거나, 지속적인 전력의 공급이 필요한 각종 휴대용 전자기기에 사용될 수 있다. 특히 압전 셀 발전장치(100)는 이동체에 부착되어 이동체의 이동 중에 발생하는 상대적인 유체의 흐름에 의해 발전이 이루어질 수 있다.
이러한 압전 셀 발전장치(100)는 셀(110) 및 압전소자(120)를 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 1 및 도 2를 제시한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예를 위한 압전 셀 발전장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 압전 셀 발전장치(100)에 압전소자(120)가 구비된 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
셀(110)은 압전 셀 발전장치(100)의 몸체 역할을 한다. 이때, 셀(110) 주위에는 압전 세라믹층(140)이 더 형성될 수 있다. 이러한 압전 세라믹층(140)에 의해 진동에 의한 발전량이 증가될 수 있다. 압전 세라믹층(140)은 셀(110) 주위를 모두 덮도록 형성될 수도 있고, 일부만을 덮도록 형성될 수도 있다.
그리고, 셀(110)은 외력에 노출되는 외관(111) 및 외관(111)의 내부에 형성되어 유체가 통과할 수 있도록 형성된 유체 통로(112)를 포함한다.
외관(111)은 그 내부에 압전소자(120)를 비롯한 발전에 필요한 구성 부품을 포함한다. 따라서, 외력에 의해 전달되는 운동에너지에 의해 부품의 손상을 견뎌낼 수 있도록 높은 내구성을 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 높은 에너지 효율을 위해 경량 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 소재는 플라스틱 소재를 포함하고, 그 외에 절연특성을 가지면서 탄성력을 갖는 다양한 소재를 포함할 수 있다.
외관(111)의 형태는 압전소자(120)의 진동을 원활하게 할 수 있는 직육면체 구조로 이루어질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 내부에 위치한 부품의 크기나 배치, 또는 압전소자의 크기나 형상에 따라 외관(111)은 다양한 형상을 할 수 있다.
유체 통로(112)는 외관(111)의 내부에 형성되어 유체가 통과할 수 있는 통로의 역할을 한다. 이때 외관(111)의 일측에 제 1 출입구(112a)가 형성되고, 타측에 제 2 출입구(112b)가 형성된다. 이러한 제 1 및 제 2 출입구(112a, 112b)는 유체의 출입을 용이하게 하기 위하여 서로 마주보게 앞뒤로 열려있는 형태를 취하는 것이 바람직하다. 유체 통로(112)의 형상은 외관(111)의 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 다만, 사용되는 환경이나 용도에 따라 다각형 또는 원형의 형상을 취할 수 있다.
제 1 출입구(112a) 또는 제 2 출입구(112b)의 경우 시간당 보다 많은 유체를 통과시킬 수 있도록 그 단면적을 넓게 형성시킬 수 있다.
압전소자(120)는 기본적으로 물리적 유연성이 뛰어난 하이브리드 압전소자를 사용하는 것이 바람직하다. 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 유체(특히 난류)의 흐름을 이용한 발전이 용이하다.
압전소자(120)의 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다. 이러한 재료들로 인해 유체, 특히 난류에 의한 진동과 셀(110)이 부착되어 있는 이동체 자체의 진동에 의한 발전이 원활하게 일어날 수 있다.
한편, 압전소자(120)는 제안한 하이브리드 재질 뿐만 아니라 폴리머 재질 또는 세라믹 재질의 압전소자도 사용할 수 있다.
압전소자(120)는 유체의 흐름에 노출된 채, 유체 통로(112)의 길이 방향으로 배치될 수 있다. 이때 압전소자(120)의 일측(121)은 유체 통로(112)의 제 1 출입구(112a)에 고정 지지되어 고정단으로 형성된다. 그리고 압전소자(120)의 타측(122)은 제 2 출입구(112b)를 향하여 자유단으로 형성된다. 따라서, 압전소자(120)는 일측(121)이 지지된 채 진동할 수 있다.
한편, 상기 타측(122)은 고정단으로 형성될 수도 있다. 이 경우 고정단을 고정할 때 일정 여유를 두어 유체에 의해 압전소자(120)가 진동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 압전소자(120)는 여러 개로 구비되어 각각이 직렬 혹은 병력의 구조로 집적하는 구조를 구성할 수 있다. 그 일 실시예로 압전소자(120)는 유체 통로(112)의 길이방향으로 길게 형성 배치되어 복수개의 층상으로 구비될 수 있다. 즉, 압전소자(120)의 고정된 일측(121)이 서로 이격되게 배치되면서 복수개의 압전소자(120)가 층상으로 배치될 수 있는 것이다. 이러한 여러 개의 압전소자(120)의 배치로 인해 압전 셀 발전장치(100)에 가해지는 모든 외력이 모든 압전소자(120)에 동시에 가해지는 환경을 제공할 수 있다. 즉, 최소한의 공간에서 최대한의 발전량을 얻을 수 있는 것이다.
압전소자(120)는 한 층(single latyer)으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 당연히 아니고, 주위 환경, 용도, 목적 등에 따라서는 다층(multi-layer) 구조로 형성될 수 있다.
압전소자(120)의 고정을 위해 적어도 하나의 고정핀(123)이 구비될 수 있다. 보다 자세한 설명을 위해 도 3을 제시한다. 도 3은 압전소자(120)를 개략적으로 도시한 도면이다.
고정핀(123)은 압전소자(120)의 고정단인 일측(121)에 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 고정핀(123)은 압전소자(120)의 개수에 대응하여 복수개 구비될 수 있고, 제 1 출입구(112a)상에 위치되는 것이 바람직하다. 고정핀(123)이 복수개인 경우 각각은 병렬로 배치되는 것이 바람직하나 배치 형상을 제한하는 것은 아니다.
고정핀(123)의 두께는 공기의 출입을 원활하게 하기 위해 얇은 봉의 형태를 취하는 것이 바람직하나 그 형태를 제한하는 것은 아니다.
압전소자(120)가 유체의 흐름, 진동, 압력 등의 외력에 의해 전기 에너지를 발생시킨 경우 압전소자(120)로부터 발생한 전하는 +전극(124)과 -전극(125)을 통해 도선(126)을 거쳐 정류부(113)를 향한다. 이때 +전극(124)과 -전극(125)는 도체판으로 형성되어 압전소자(120)의 외면에 부착되는 것이 바람직하다. 이때 전도성 접착제 또는 그 외에 전도가 가능한 방법으로 부착될 수 있다. 그리고 +, -전극(124, 125)의 재료로는 전도성이 뛰어나고 저항이 거의 없는 구리나 은, 금 또는 그와 유사한 특성을 갖는 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 압전소자(120)끼리 전기적으로 접촉되는 것을 방지하기 위해 압전소자를 전체적으로 절연성 폴리머를 이용하여 코팅할 수 있다. 도선(126)의 경우 전력의 발생 양 및 셀(110) 내부의 공간을 고려하여 그에 맞게 길이 및 굵기를 선택할 수 있다.
도선(126)을 통해 전하가 정류부(113)로 이동한다. 이때 정류부(113)는 압전소자(120)로부터 발생한 전기에너지를 가용 전기에너지로 정류할 수 있는 정류회로를 포함한다. 정류부(113)는 압전소자(120)와 전기적으로 연결될 수 있어야 하고, 그 위치 및 형상은 제한하지 않는다.
일측에 따르면, 압전 셀 발생장치는 연결부(130)를 더 포함할 수 있다. 보다 자세한 설명을 위해 도 4 및 도 5를 제시한다. 도 4는 도 1의 압전 셀 발전장치(100)의 정면도이고, 도 5는 도 1의 압전 셀 발전장치(100)의 평면도이다.
연결부(130)는 셀(110)의 외면에 구비된다. 연결부(130)는 압전 셀 발전장치가 복수개 구비된 경우에 각각의 발전장치를 전기적, 기계적으로 연결시켜주는 역할을 한다. 이러한 연결부(130)는 연결의 편의성을 위하여 “ㄱ”자 형상으로 셀(110)의 외면에 돌출되게 구비되는 것으로 예시하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 복수개의 발전장치의 외면에 구비되어 서로가 서로에게 맞물릴 수 있는 결합의 용이성을 위한 다양한 구조가 가능하다.
연결부(130)는 8개의 요소로 이루어지는 것으로 예시한다. 이때 4개는 +연결부(131), 나머지 4개는 -연결부(132)로써, +와 -가 서로 짝을 이루어 2개 한 쌍으로 복수의 쌍이 형성된다. 즉, 8개는 예시일 뿐이며 다양한 개수가 가능하다.
이때, 각각의 +연결부(131)와 -연결부(132)는 셀(110)의 내부에서 전기적으로 병렬로 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 복수개의 셀(110)이 연결부(130)를 통해 결합했을 때, 각각의 셀이 병렬회로로 구성되게끔 할 수 있다.
결국, 연결부(130)는 구조적으로 보았을 때 복수의 셀, 즉 복수의 압전 셀 발전장치를 기계적으로 결합시키는 역할을 하면서, 회로적으로 보았을 때 전기 에너지를 복수개의 셀들끼리 전달 받거나 분배하는 역할을 한다.
도 6은 복수개의 압전 셀 발전장치(100, 200, 300, 400)가 서로 전기적, 기계적으로 연결된 모습을 도시한다. 압전 셀 발전장치의 개수는 제한하지 않으며, 이렇게 복수개의 발전장치가 결합 연결됨으로 인해, 필요한 발전량에 따라 발전장치의 개수를 조절할 수 있고, 공간의 활용도도 증대시킬 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 압전 셀 발전장치(100)는 바람, 진동, 압력 등 다양한 외력에 반응하여 전기에너지를 발생시킨다. 특히, 유체의 흐름에 반응하여 발전한다. 유연성이 큰 압전소자(120)를 배치함에 따라 유체의 흐름에 의한 변형을 용이하게 하였다. 특히 규칙적이지 않은 난류를 이용하여 폴리머 계열의 압전소자의 전기, 물리적 성질에 맞는 발전을 가능하게 하였다.
또한, 압전소자의 면적량이 클수록 발전량이 늘 수 있는데, 공간을 효과적으로 사용하기 위하여 본 발명은 하나의 압전소자의 면적량을 늘리는 대신 여러 개의 압전소자를 직렬 또는 병렬로 집적하는 구조를 구성하여 힘이 모든 압전소자에 동시에 가해지게 하였다. 따라서 주어진 공간에 대하여 높은 발전량을 얻을 수 있다.
또한 그 발전량을 향상시키기 위해 단위 압전소자를 다층(multi-layer) 구조로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 셀 발전장치(100)는 소형으로 제작이 가능하고 사람의 몸체, 휴대용 기기 등에 부착할 수 있다. 또한, 자동차, 오토바이 등의 이동체에 부착할 수도 있다. 따라서 이동 중 발생하는 진동 및 상대적인 대기의 흐름을 통해 발전을 할 수 있다.
그 외에 비행기 또는 선박의 경우에도 본 발명을 부착할 수 있다. 비행기의 경우 속도가 자동차나 오토바이보다 빠르기 때문에 셀(110)의 내구성을 더 높여 장착하는 것이 바람직하다. 또한, 선박의 경우 물은 공기보다 밀도가 높기 때문에 유체의 흐름에 의하여 압전소자(120)가 파손되지 않도록 그 내구성을 더 높여 장착하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 압전 셀 발전장치 110: 셀
111: 외관 112: 유체 통로
113: 정류부 120: 압전소자
123: 고정핀 130: 연결부
140: 압전 세라믹층

Claims (12)

  1. 외력에 노출되고 내부에 유체가 흐를 수 있는 유체 통로가 형성된 셀; 및
    상기 유체 통로상에 구비되어 상기 유체의 흐름에 노출된 채 일측이 고정 지지되는 고정단이 되고, 타측이 자유단이 되도록 배치된 압전소자;
    를 포함하며,
    상기 유체 통로는 유체의 유출입이 일어나는 제 1 출입구 및 제 2 출입구를 포함하고,
    상기 압전소자는 상기 유체 통로의 길이방향으로 배치되어 상기 고정단인 일측은 상기 제 1 출입구에 위치하고, 상기 자유단인 타측은 상기 제 2 출입구를 향하여 위치하는 압전 셀 발전장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는 하나의 층(single layer)으로 이루어지거나 복수의 층(multi layer)으로 구성된 압전 셀 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자의 일측이 상기 유체 통로상에 고정되도록 상기 제 1 출입구에 병렬로 배치될 수 있는 적어도 하나의 고정핀을 포함하는 압전 셀 발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자의 재료는 세라믹소재, PZT, PLZT, PVDF, P(VDF-TrFE), 또는 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 중 어느 하나를 포함하는 압전 셀 발전장치(100).
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외력은 진동, 압력, 및 유체의 흐름을 포함하는 압전 셀 발전장치(100).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 외면에 돌출되게 구비되고 쌍을 이루어 형성된 +연결부 및 -연결부를 갖는 연결부를 더 포함하고,
    상기 연결부에 의해 상기 셀이 복수개가 전기적으로 연결될 수 있는 압전 셀 발전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자와 전기적으로 연결되어, 상기 압전소자로부터 발생한 전기에너지를 가용 전기에너지로 정류할 수 있는 정류회로가 구성된 정류부를 더 포함하는 압전 셀 발전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 주위에는 압전 세라믹층을 더 포함하는 압전 셀 발전장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR930004753A (ko) * 1991-08-16 1993-03-23 임충렬 피에조 세라믹 진동판을 이용한 유수 감지장치
JP2010169054A (ja) 2009-01-26 2010-08-05 Kyosan Electric Mfg Co Ltd 筒形流体振動発電装置
JP2010223104A (ja) 2009-03-24 2010-10-07 Hideo Sumiyoshi 潮圧力発電海水が移動する力を利用した発電方法と物が海水中を動くときに受ける力を利用した発電方法。

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