KR101210431B1 - 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents
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Abstract
차량의 이동에 따른 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시켜주는 압전모듈에 의하여 에너지를 증대시킬 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템은 차량이 이동하는 도로의 노면에 매설되며, 복수개로 형성되는 발판; 상기 발판과 연결되어, 상기 발판의 상하이동으로부터 형성되는 진동을 전달하는 전달부재; 및 상기 전달부재에 의해 타격되어 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 압전모듈;을 포함하고, 상기 압전모듈은 복수개의 압전소자가 상호 수직 방향으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템은 차량이 이동하는 도로의 노면에 매설되며, 복수개로 형성되는 발판; 상기 발판과 연결되어, 상기 발판의 상하이동으로부터 형성되는 진동을 전달하는 전달부재; 및 상기 전달부재에 의해 타격되어 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 압전모듈;을 포함하고, 상기 압전모듈은 복수개의 압전소자가 상호 수직 방향으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 적층형 압전모듈을 이용한 것으로, 보다 구체적으로는 차량의 이동에 따른 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시켜주는 압전모듈에 의하여 에너지를 증대시킬 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 압전소자를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 것이다.
여기서, 압전소자를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전소자에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.
압전소자를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 다른 발전 방식 보다 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지의 변환 효율 또한 높은 장점을 가지고 있다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 특허등록공보 제10-0909255호(2009.07.17. 등록)이 있으며, 상기 문헌에는 이동하중을 이용한 압전 발전기 및 이를 포함하는 발전기 시스템이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 도로에 압전모듈이 연결되어, 자동차 주행에 따라 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 에너지를 증대시킬 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템은 차량이 이동하는 도로의 노면에 매설되며, 복수개로 형성되는 발판; 상기 발판과 연결되어, 상기 발판의 상하이동으로부터 형성되는 진동을 전달하는 전달부재; 및 상기 전달부재에 의해 타격되어 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 압전모듈;을 포함하고, 상기 압전모듈은 복수개의 압전소자가 상호 수직 방향으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템은 도로에 압전모듈이 연결되어, 차량의 주행에 따라 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 에너지를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템의 작동관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 압전 소자의 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 압전 소자의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템의 작동관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 압전 소자의 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 압전 소자의 다른 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템의 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템의 작동관계를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템(100)은 발판(110), 전달부재(120), 압전모듈(130), 제어부(140) 및 충전부(150)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템(100)은 차량(104)이 발판(110)을 통과하면, 차량(104)의 타이어와 발판(110)이 접촉하여 진동이 발생한다. 이때, 발생되는 진동은 전달부재(120)를 통해 적층형 압전모듈(130)로 전달된다.
발판(110)은 도로(102)의 노면에 매설되며, 발판(110)위로 차량(104)이 이동하게 된다. 또한, 발판(110)은 도로(102)를 가로지르도록 형성되며, 복수개로 구비될 수 있다. 즉, 발판(110)은 복수개가 수평방향으로 연결되도록 형성되어, 상하 이동을 함으로써 진동 유지 시간을 지속시키게 된다. 따라서, 복수개로 연결된 발판(110)은 하나로 형성될 때 보다 더 많은 발전량을 얻게 된다.
발판(110)은 차량(104)과 접촉하여 진동을 적층형 압전모듈(130)에 전달하도록 대략 직육면체로 형성될 수 있으나, 여기서 발판(110)을 직육면체로 한정하는 것은 아니다. 즉, 발판(110)은 차량(104)이 이동함에 따라 발생하는 진동을 적층형 압전모듈(130)에 전달할 수 있는 형태라면 어느 것이든 사용될 수 있다.
또한, 발판(110)의 하부중심에는 중심축(112)이 더 형성될 수 있다. 중심축(112)은 발판(110)과 전달부재(120)의 중심을 잡는 역할을 한다. 즉, 중심축(112)은 차량(104)이 이동하게 되면 발판(110)은 하강하게 되고, 전달부재(120)는 적층형 압전모듈(130)을 타격하여 진동을 전달하는 역할을 한다. 여기서, 발판(110)은 진동 및 압력을 원활하게 전달 할 수 있도록 발판(110)의 상면과 중심축(112)사이에 스프링 장치와 같은 탄성부재(114)가 더 형성될 수 있다.
전달부재(120)는 차량(104)의 움직임에 의한 진동 및 압력을 적층형 압전모듈(130)에 전달한다. 전달부재(120)는 일측이 발판(110)과 접하게 되고, 타측은 압전모듈(130)과 접하게 된다. 또한, 전달부재(120)는 발판(110)과 동일하도록 도로(102)의 노면에 매설되도록 형성된다. 전달부재(120)는 도로(102)를 가로지르도록 형성되어, 차량(104)이 발판(110)을 밟게 되면 수평이동을 함으로써, 적층형 압전모듈(130)을 타격하게 된다. 여기서, 전달부재(120)는 바(bar) 형태로 형성될 수 있다.
적층형 압전모듈(130)은 전달부재(120)의 타측과 연결된다. 적층형 압전모듈(130)은 도로(102)의 일측에 위치하여, 차량(104)의 이동에 의하여 발생되는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 이때, 상기 적층형 압전모듈(130)은 복수의 압전소자(135)가 상호 수직 방향으로 적층되는 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이, 복수의 압전소자(135)를 수직적으로 쌓아올리는 적층 구조로 압전모듈(130)을 설계할 경우, 협소한 면적 내에서 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 적층형 압전모듈(130)은 발판(110)의 크기보다 크게 형성된다. 따라서, 하나의 압전모듈(130)은 복수개의 발판(110)과 연결되므로, 진동 유지 시간을 지속 시킴으로써, 더 많은 전기에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다. 상기 복수의 압전모듈(130)은 각각 0.5 ~ 10m의 간격으로 매설하는 것이 바람직하다. 만약, 압전모듈(130)간의 간격이 50cm 미만으로 매설될 경우에는 초기 투자비가 상승하는 문제가 있고, 반대로 10m를 초과하여 매설할 경우에는 에너지 변환 효율이 저조할 수 있다.
여기서, 압전소자(135)의 각 구성 및 그 구성간의 관계는 후술하도록 한다.
제어부(140)는 도로(102)의 갓길 주변에 설치될 수 있으며, 상기 압전모듈(130)로부터 생성된 전기 에너지를 정류하여 정전류를 생성시키는 정류회로 및 각종 구동 회로를 포함할 수 있다.
충전부(150)는 압전모듈(130)로부터 생성된 전기 에너지를 저장한다. 이때, 상기 충전부(150)는 제어부(140)의 주변에 장착되어 제어부(140)와 전기적으로 연결되며, 하나의 예를 들면, 캐패시터(capacitor)가 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 압전소자의 예를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 압전소자(135)는 지지판(131), 제1 압전판(132), 제2 압전판(133) 및 압전추(134)를 포함할 수 있다.
상기 지지판(131)은 플레이트 형상을 가지며, 그 재질로는 용수철과 같이 탄성을 갖는 스프링용 강판 재질을 이용하는 것이 좋으며, 그 구체적인 예로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 압전판(132)은 지지판(131)의 상면에 부착되고, 제2 압전판(133)은 지지판(131)의 하면에 부착될 수 있다. 이러한 상기 제1 압전판(132) 및 제2 압전판(133)은 지지판(131)에 비하여 작은 면적을 가질 수 있으며, 상호 간이 중첩되도록 배치시키는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 이러한 제1 압전판(132) 및 제2 압전판(133)은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머 및 Pb(Zr,Ti)O3＋에폭시 폴리머 중 선택된 하나의 제1재질로 형성될 수 있다.
이와 다르게, 상기 제1 압전판(132) 및 제2 압전판(133)은 Pb(Zr, Ti)O3, (Na, K)NbO3, (Na,K, Li)NbO3, BiFeO3 및 BaTiO3 중 선택된 하나의 제2 재질로 형성될 수도 있다.
이 중, 상기 제1 압전판(132) 및 제2 압전판(133)으로는 환경 규제로 인하여 사용에 제약이 따르고 있는 납을 함유하는 제1 재질보다는 제2 재질을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 압전추(134)는 지지판(131)의 수평을 유지시키는 기능을 하며, 탄성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 압전추(134)는 복수개가 지지판의 마주보는 양측의 가장자리를 따라 관통하여 지지판(131)에 고정 결합되는 복수의 링(ring) 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 압전추(134)를 링(ring) 형태로 형성할 경우, 복수의 링 형태의 압전추(134)들이 서로 부딪히면서 발생되는 진동을 플레이트 형태의 지지판(131)에 전달함으로써, 에너지 변환 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 압전소자의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 압전소자(135)는, 지지판(131), 제1 압전판(132), 제2 압전판(133) 및 압전추(134)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 압전소자(130)의 경우, 다른 요소는 도 3에 도시된 요소들과 동일하나, 압전추(134)의 구조가 상이하다.
도 4에 도시된 압전추(134)는 지지판(131)의 마주보는 양측의 가장자리를 따라 스크류 형태로 관통되어 고정 결합될 수 있다. 이와 같이, 상기 압전추(134)를 스크류 형태로 형성할 경우, 압전추(134)가 지지판(131)과 연쇄적인 충돌을 발생시켜 에너지 변환 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템(100)은 도로(102) 일부만을 절개하여, 최소 시공비용으로 도로에 적용가능하며, 곡선형 도로 및 경사면 등 다양한 도로 상황에 용이하게 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템(100)은 도로의 손상을 최소화 하면서 최대의 발전 효율을 올릴 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템
102: 도로 104: 차량
110: 발판 112: 중심축
120: 전달부재 130: 압전모듈
131: 지지판 132: 제1 압전판
133: 제2 압전판 134: 압전추
135: 압전소자 140: 제어부
150: 충전부
102: 도로 104: 차량
110: 발판 112: 중심축
120: 전달부재 130: 압전모듈
131: 지지판 132: 제1 압전판
133: 제2 압전판 134: 압전추
135: 압전소자 140: 제어부
150: 충전부
Claims (10)
- 차량이 이동하는 도로의 노면에 매설되며, 복수개로 형성되는 발판;
상기 발판과 연결되어, 상기 발판의 상하이동으로부터 형성되는 진동을 전달하는 전달부재; 및
상기 전달부재에 의해 타격되어 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 압전모듈;을 포함하고,
상기 압전모듈은 복수개의 압전소자가 상호 수직 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 발판은
상기 전달 부재와 연결되도록 상기 발판의 중앙하부에 형성되는 중심축; 및
상기 발판의 상면과 상기 중심축을 연결하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 압전모듈을 통해 생성되는 전기 에너지를 정류하여 정전류를 생성하는 제어부; 및
상기 제어부와 전기적으로 연결되어 상기 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 발판은
복수개가 수평방향으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 전달부재는
바(bar)형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전모듈을 이용한 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전모듈의 크기는
상기 발판의 크기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 압전소자는
지지판;
상기 지지판의 양면에 각각 부착되는 제1 압전판 및 제2 압전판; 및
상기 지지판의 마주보는 양측의 가장자리를 따라 관통되어 결합되는 압전추를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 압전추는
링 형태, 용수철 형태 및 스크류 형태 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 지지판은
구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), PET(polyethylene terephthalate) 및 SUS(stainless steel) 중 하나 이상의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 압전판 및 상기 제2 압전판은
(Na, K)NbO3, (Na, K, Li)NbO3, BiFeO3 및 BaTiO3 중 선택된 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전모듈을 이용한 도로용 에너지 하베스팅 시스템.
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