KR101228958B1 - Power generation apparatus using piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치는 물이 떨어지는 위치에 설치되어 떨어지는 물에 의해 가해지는 외부 압력을 전기에너지로 변환하는 다수의 압전소자가 연결되어 이루어지는 압전소자부와, 상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로와, 상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로와, 상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지 및 상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하여 구성된다. The present invention relates to a power generation apparatus using a piezoelectric element, and more particularly, piezoelectric pressure pressure applied by the water falling by installing a piezoelectric element below the falling water (for example, rainwater, waterfalls, fountains, etc.). The present invention relates to a device for generating electricity by converting the device into electrical energy.
In the power generation apparatus using the piezoelectric element according to the present invention, a piezoelectric element portion including a plurality of piezoelectric elements for converting external pressure applied by the falling water into electrical energy is installed at the position where the water falls, and in the piezoelectric element portion. A rectifier circuit for full-wave rectifying the converted electrical energy into a direct current, a smoothing circuit for removing ripples included in the direct current output from the rectifying circuit, a storage battery for accumulating the direct current voltage output from the smoothing circuit and the piezoelectric element. It is configured to include an overvoltage protection circuit for blocking the overvoltage or overcurrent is applied through the part, or when the overvoltage or overcurrent is applied to the piezoelectric element portion in the rectifier circuit and the smoothing circuit or storage battery.
Description
본 발명은 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power generation apparatus using a piezoelectric element, and more particularly, piezoelectric pressure pressure applied by the water falling by installing a piezoelectric element below the falling water (for example, rainwater, waterfalls, fountains, etc.). The present invention relates to a device for generating electricity by converting the device into electrical energy.
널리 알려진 바와 같이, 압전소자는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 인가되었을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환한다.As is widely known, piezoelectric elements generate voltage when a pressure is applied and mechanical deformation occurs when an electric field is applied. The piezoelectric element converts mechanical vibration energy into electrical energy and electrical energy into mechanical vibration energy. do.
상기 압전소자의 대표적인 물질로는 수정, 로셀염 또는 티탄산 바륨 등을 들 수 있다. 이중 수정은 1 ~ 100MHz의 초음파를 발생하는 초음파발생기에, 로셀염은 음향기기에, 티탄산바륨 등의 압전반도체는 전기기계 결합계수가 크며 저주파에서부터 수MHz 범위의 음향기기ㆍ소리굽쇠ㆍ메커니컬필터ㆍ초음파지연소자 등에 쓰인다.Representative materials of the piezoelectric element include quartz, rosell salt or barium titanate. The double crystal is an ultrasonic generator that generates ultrasonic waves of 1 to 100 MHz, the rossel salt is an acoustic device, piezoelectric semiconductors such as barium titanate have a large electromechanical coupling coefficient, and the acoustic equipment, tuning fork, mechanical filter, and ultrasonic wave in the low frequency range to several MHz. Used for delay element.
상기 압전소자의 특성을 이용하여 진동하는 에너지를 수확해서 전기에너지를 발생하기 위하여 다양한 분야에서 활용되고 있다.In order to generate electric energy by harvesting the vibrating energy using the characteristics of the piezoelectric element has been used in various fields.
즉 진동이나 기계적인 에너지를 압전소자에 가하여 압전소자로부터 전기적인 에너지가 발생 되도록 하는 종래기술로서, 신발의 뒤축에 압전소자를 장착하여 보행자가 걸어다닐 때마다 신발로부터 전기에너지가 생산되도록 하고 있다.That is, as a conventional technique for generating electrical energy from the piezoelectric element by applying vibration or mechanical energy to the piezoelectric element, the piezoelectric element is mounted on the heel of the shoe so that electrical energy is produced from the shoe every time a pedestrian walks.
또한, 대한민국 특허공개공보 제2005-68849호의 차량 진동을 이용한 발전장치는 차량의 에어 스프링을 구성하는 에어백 내부에 장착되어, 차량의 바운싱에 따라 승강되는 압전 지지대와, 압전 지지대에 고정 장착되는 압전소자 어셈블리와, 차량의 액슬에 일단 이 고정되며, 타단은 상기 압전 소자 어셈블리에 접촉되는 압전 코어와, 압전 소자 어셈블리에 전력 송출선으로 장착되는 정류기와, 정류기로 정류된 전기를 축전하는 축전기가 구비된 것이 개시되어 있다.In addition, the generator using the vibration of the vehicle of the Republic of Korea Patent Publication No. 2005-68849 is mounted inside the air bag constituting the air spring of the vehicle, the piezoelectric support which is elevated according to the bouncing of the vehicle, the piezoelectric element fixedly mounted to the piezoelectric support One end is fixed to the assembly, the axle of the vehicle, the other end is provided with a piezoelectric core in contact with the piezoelectric element assembly, a rectifier mounted to the piezoelectric element assembly as a power transmission line, and a capacitor for storing electricity rectified by the rectifier Is disclosed.
이와 같이 종래에 차량의 내부나 보행자의 이동이 많은 공간에서 전달되는 진동이나 가압력을 발전하여 전기에너지로 재생하는 기술이 개시되어 있지만, 차량에 설치된 발전 시스템은 발전량이 적을 뿐만 아니라 발전된 전기에너지는 차량의 배터리에 재충전용으로 사용되는 등 차량에 한정되어 적용되는 단점이 있었다.As described above, a technique of generating vibration or pressing force transmitted in an interior of a vehicle or a space where a lot of pedestrians move is generated and regenerating it into electric energy is disclosed. There was a disadvantage in that it is limited to the vehicle, such as being used as a rechargeable battery.
그리고 보행자의 신발에 장착되는 발전장치는 일정한 크기 이상의 전기에너지 생성이 불가능한 문제점이 있었다.And the power generation device mounted on the shoes of the pedestrian had a problem that it is impossible to generate more than a certain amount of electrical energy.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전 및 축전함으로써, 공해 및 이산화탄소의 발생이 없는 재생에너지를 생산할 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in order to solve the above problems, by installing a piezoelectric element in the lower portion of the falling water (for example, rainwater, waterfalls, fountains, etc.) is applied to the pressure energy applied by the falling water in the piezoelectric element It is an object of the present invention to provide a power generation apparatus using a piezoelectric element capable of producing renewable energy without generation of pollution and carbon dioxide by converting it into energy and generating and storing electricity.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치는, 물이 떨어지는 위치에 설치되어 떨어지는 물에 의해 가해지는 외부 압력을 전기에너지로 변환하는 다수의 압전소자가 연결되어 이루어지는 압전소자부;In the power generation apparatus using the piezoelectric element according to the present invention for achieving the above object, the piezoelectric element is connected to a plurality of piezoelectric elements that are installed in the position where the water falls to connect the external pressure applied by the falling water into electrical energy part;
상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로;A rectifier circuit for full-wave rectifying the electrical energy output from the piezoelectric element unit to convert it into direct current;
상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로;A smoothing circuit for removing the ripple included in the direct current output from the rectifier circuit;
상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지: 및A battery for accumulating a DC voltage output from the smoothing circuit; and
상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하여 구성된다.And an overvoltage protection circuit for blocking the overvoltage or overcurrent when the overvoltage or overcurrent is applied through the piezoelectric element portion or when the overvoltage or overcurrent is applied to the piezoelectric element portion from a rectifying circuit and a smoothing circuit or a storage battery.
또한, 본 발명에 따르면 상기 압전소자나 압전소자부는 수직으로 마주보게 설치되는 지지 프레임의 내측에 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착되어, 일측에 부딪힌 물이 타측 아래에 다시 부딪히면서 떨어지도록 하는 경사판의 상부에 장착되는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the piezoelectric element or the piezoelectric element portion is mounted in a zigzag so as to have different heights inside the support frame installed vertically facing each other, so that water hitting one side falls down while hitting again under the other side. It is characterized in that it is mounted on.
또한, 본 발명에 따르면 상기 압전소자부는 압력을 받는 진동편이 외부에서 노출된 상태에서 인접된 진동편과 전기적으로 연결된 후 베이스에 고정되며, 상기 진동편 상부에는 고무판이나 우레탄 재질의 커버를 씌워 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the piezoelectric element portion is fixed to a base after being electrically connected to an adjacent vibrating piece in a state in which the vibrating piece under pressure is exposed from the outside, and made of a rubber plate or a cover made of urethane on the vibrating piece upper part. It features.
또한, 본 발명에 따르면 상기 진동편끼리의 연결은 피복이 입혀진 은도금 구리선에 의해 연결된 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the vibration pieces are connected to each other by a coated silver plated copper wire.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전 및 축전함으로써, 공해 및 이산화탄소의 발생이 없는 재생에너지를 생산할 수 있다.According to the above-mentioned means for solving the above problems, a piezoelectric element is provided below the falling water (for example, rainwater, a waterfall, a fountain, etc.) to convert the pressure energy applied by the falling water into electrical energy in the piezoelectric element. And by power storage, it is possible to produce renewable energy without generation of pollution and carbon dioxide.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전장치의 블록도,
도 2는 도 1에 나타낸 압전소자부를 구성하는 압전소자의 예시도,
도 3은 도 1에 나타낸 압전소자부가 다수인 경우 압전소자부의 연결 예시도,
도 4a와 도 4b는 도 1에 나타낸 압전소자부의 설치 상태도.1 is a block diagram of a power generation apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is an exemplary diagram of a piezoelectric element constituting the piezoelectric element portion shown in FIG. 1;
3 is a diagram illustrating a connection of a piezoelectric element unit when there are a plurality of piezoelectric element units shown in FIG. 1;
4A and 4B are diagrams illustrating an installation state of the piezoelectric element shown in FIG. 1;
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전장치의 블록도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 압전소자부를 구성하는 압전소자의 예시도이다.1 is a block diagram of a power generation apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an illustration of a piezoelectric element constituting the piezoelectric element shown in FIG.
도 1에 도시된 바와 같이 발전장치(1)는 압전소자부(10), 과전압보호회로(20), 정류회로(30), 평활회로(40) 및 축전지(50)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the
압전소자부(10)는 적절한 전압과 전류를 얻기 위해서 종횡으로 배열의 다수의 압전소자를 직렬 또는 병렬이나 직병렬로 연결하여 이루어진다.The
상기 압전소자부(10)를 구성하는 압전소자(100)는 수정, 전기석, 로셸염 등의 얇은 판(진동편)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하가 나타나 압전효과에 의하여 진동되면서 안정된 주파수를 공급한다.In the
상기 압전소자(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 절연체(111) 사이에 전극회로(112)들이 배열된 케이스(110) 내부에 진동편(130)이 수납되어 전극회로(112)에 연결되고 케이스(110)의 상부에 리드(Lid)(120)가 열에 의하여 용융되는 링형의 접착소재(121)에 의하여 접착되어 그 내부가 밀폐된다.As shown in FIG. 2, the
이때 리드(120)를 케이스(110)의 상부면에 올려놓고 열을 가하면 금속 접착소재(121)가 용융되면서 리드(120)가 케이스(110)에 접착된다.At this time, if the
미설명 부호 131은 진동편(130)과 전극회로(112)를 전기적으로 연결하는 와이어이다.
상기 압전소자부(10)는 각 압전소자(100)에서 생성된 미세한 전력을 모아 일정한 교류 전력을 출력한다.The
정류회로(30)는 상기 압전소자부(10)에서 출력하는 교류(AC)를 전파정류하여 직류(DC)로 변환한다.The
상기 정류회로(30)로는 예를 들어 전류가 병렬 연결된 전기 전도체로 분리되고 회로망이 둘러싼 도체에 재결합하는 브리지 회로로 구성할 수 있다.For example, the
평활회로(40)는 상기 정류회로(30)의 출력에 포함된 맥류분(脈流分)을 감소하기 위하여 사용하는 저역필터이다.The
상기 평활회로(40)는 예를 들어 콘덴서(C)와 인덕터(L)나 저항(R)으로 구성된다.The
죽 상기 정류회로(30)와 평활회로(40)는 상기 압전소자부(10)로부터 수집된 전력을 정류하고, 리플을 제거하는 과정을 거쳐 일정 전압의 직류로 변환하여 출력한다.The
축전지(50)는 상기 평활회로(40)에서 출력되는 직류 전압을 충전한다.The
과전압보호회로(20)는 상기 압전소자부(10)를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우, 또는 정류회로(30)와 평활회로(40) 또는 축전지(50)에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부(10)로 인가되는 경우 이를 차단하여 발전장치(10)의 내부 구성을 보호한다.In the
전압조절기(45)는 상기 발전기(10)의 출력전압이 떨어져 평활회로(40)에서 출력되는 직류전압이 낮은 경우, 일시적으로 축전지(50)에서 평활회로(40)로 전류가 흐르는 역류현상을 방지한다.
When the output voltage of the
도 3은 도 1에 나타낸 압전소자부가 다수인 경우 압전소자부의 연결 예시도이다.FIG. 3 is an exemplary diagram of connecting piezoelectric element portions when there are a plurality of piezoelectric element portions shown in FIG. 1.
도시된 바와 같이 인접된 압전소자부(10a,10b,10c,10d)를 연결선(11)을 통해 서로 연결하고, 이때 연결선(11)에 스위치(S)가 구비되어 이 스위치(S)에 의해 서로 인접되는 압전소자부(10a,10b,10c,10d)들은 전기적으로 연결되거나, 전기적 연결이 차단된다.As shown, adjacent
이에 의해 각 압전소자부(10a,10b,10c,10d)에서 얻은 전력을 수집하여 더 많은 전력을 축전지(50)에 충전할 수 있다.
Thereby, the electric power obtained by each
도 4a와 도 4b는 도 1에 나타낸 압전소자부의 설치 상태도로서, 분수대에 설치하는 경우의 예시도이다.4A and 4B are diagrams illustrating the installation state of the piezoelectric element shown in FIG.
도 4a에 도시된 바와 같이, 분수대(200)에 구비된 노즐(210)을 통해 뿜어 올린 물이 떨어지는 위치의 도중에 수직으로 지지 프레임(220)을 마주보게 설치하고, 이 마주보는 지지 프레임(220) 내측에 경사판(222)을 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착하여 일측의 경사판(222)에 부딪힌 물이 타측 아래에 있는 경사판(222)에 다시 부딪히면서 떨어지도록 한다.As shown in FIG. 4A, the
이때 상기 경사판(222)에는 압전소자(100)나 다수의 압전소자로 이루어진 압전소자부(10)가 상부에 장착되어 각 압전소자(100)에서 떨어지는 물의 압력에 의해 전기 에너지(교류)를 생성한다.At this time, the
이때 떨어지는 물이 압전소자(100)에 부딪히면서 바로 바닥에 떨어지는 것이 아니라, 경사판(222)에 의해 타측 아래에 있는 압전소자(100)에 다시 부딪히기 때문에 한번 떨어지는 물을 이용하여 여러 번 전기 에너지를 생성할 수 있어 그 효율을 높일 수 있는 것이다. At this time, since the falling water hits the
각 압전소자(100)에 생성된 전기 에너지는 압전소자부(10)에 수집되어 정류회로(30)에 입력되거나 직접 정류회로(30)에 입력되어 직류로 변환된다.
Electrical energy generated in each
도 4b에 도시된 바와 같이, 분수대(200)에 구비된 노즐(210)을 통해 뿜어 올린 물이 떨어지는 곳의 수면보다 높은 위치에 수평 프레임(230)을 설치하고, 이 수평 프레임(230) 상부에 다수의 압전소자(100)로 이루어진 압전소자부(10)를 설치한다.As shown in FIG. 4B, the
상기 압전소자(100)는 떨어지는 물의 압력에 의해 전기 에너지(교류)를 생성하되, 압전소자부(100)가 수면보다 약간 높은 위치에 설치되기 때문에 떨어지는 물의 속도가 거의 최대가 되었을 때 압전소자(100)에 압력을 가하기 때문에 한꺼번에 많은 전기 에너지를 생성할 수 있다.The
각 압전소자(100)에 생성된 전기 에너지는 압전소자부(10)에 수집된 후 정류회로(30)에 입력되어 직류로 변환된다.The electrical energy generated in each
한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, 전기 에너지의 생성 효율을 높이기 위하여 본 발명에서는 도 2에 나타낸 압전소자(100)의 케이스(110) 및 리드(120)를 제거하고, 압력을 받는 부분 즉, 진동편(130)끼리만 전기적으로 연결한 후 그것들을 우드락과 같은 베이스(140)에 고정하며, 압력을 받는 상기 진동편(130) 상부에는 고무판이나 우레탄과 같은 커버(160)를 씌워 압력에는 민감하게 반응하면서도 진동편(130)을 보호할 수 있도록 한다.On the other hand, as shown in Figure 4b, in order to increase the efficiency of the generation of electrical energy in the present invention to remove the
이때 진동편(130)끼리의 연결은 테플론 피복이 입혀진 은도금 구리선(150)을 이용하여 외부와 절연이 되도록 한다.
In this case, the
이상에서는 압전소자(100)나 압전소자부(10)를 인위적으로 물을 뿜어내는 분수대에 설치하는 예를 들었으나, 자연적으로 물이 떨어지는 폭포, 우수(빗물), 농수로 등에도 설치하여 전기에너지를 생성할 수 있는 것이다.In the above example, the
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.The embodiments and drawings attached to this specification are merely to clearly show some of the technical ideas included in the present invention, and those skilled in the art can easily infer within the scope of the technical ideas included in the specification and drawings of the present invention. Modifications that can be made and specific embodiments will be apparent that both are included in the scope of the invention.
1: 발전장치 10: 압전소자부
20: 과전압보호회로 30: 정류회로
40: 평활회로 45: 전압조절기
50: 축전지 100: 압전소자1: generator 10: piezoelectric element part
20: overvoltage protection circuit 30: rectifier circuit
40: smoothing circuit 45: voltage regulator
50: storage battery 100: piezoelectric element
Claims (4)
상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로;
상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로;
상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지: 및
상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하고,
상기 압전소자나 압전소자부는 수직으로 마주보게 설치되는 지지 프레임의 내측에 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착되어, 일측에 부딪힌 물이 타측 아래에 다시 부딪히면서 떨어지도록 하는 경사판의 상부에 장착되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.A piezoelectric element unit including a plurality of piezoelectric elements installed at positions where water is dropped to convert external pressure applied by the falling water into electrical energy;
A rectifier circuit for full-wave rectifying the electrical energy output from the piezoelectric element unit to convert it into direct current;
A smoothing circuit for removing the ripple included in the direct current output from the rectifier circuit;
A battery for accumulating a DC voltage output from the smoothing circuit; and
And an overvoltage protection circuit for blocking the overvoltage or overcurrent when the overvoltage or overcurrent is applied through the piezoelectric element portion or when the overvoltage or overcurrent is applied to the piezoelectric element portion from a rectifying circuit and a smoothing circuit or a storage battery.
The piezoelectric element or the piezoelectric element portion is mounted in a zigzag so as to have different heights inside the support frame installed to face vertically, it is mounted on the top of the inclined plate so that the water hitting one side falls while hitting again under the other side. Power generator using a piezoelectric element.
상기 압전소자부는 압력을 받는 진동편이 외부에서 노출된 상태에서 인접된 진동편과 전기적으로 연결된 후 베이스에 고정되며, 상기 진동편 상부에는 고무판이나 우레탄 재질의 커버를 씌워 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.The method of claim 2,
The piezoelectric element is electrically connected to an adjacent vibrating piece in a state in which the vibrating piece under pressure is exposed from the outside and is fixed to a base, and the piezoelectric element is formed by covering a rubber plate or a urethane cover on the vibrating piece. Used power generation device.
상기 진동편끼리의 연결은 피복이 입혀진 은도금 구리선에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.The method of claim 3,
The vibration pieces are connected to each other using a piezoelectric element, characterized in that connected by a silver plated copper wire coated.
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