KR101323450B1 - 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치는, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및 상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 외력에 의해 일정 이상으로 벤딩 가능한 플렉서블 압전소자와 풍력을 이용하여 전기를 발생할 수 있으므로 친환경적으로 전기 에너지를 공급할 수 있게 된다.

Description

플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템{APPARATUS FOR GENERATING ELECTRICAL ENERGY USING A FLEXIBLE PIEZOELECTRIC ELEMENT AND POWER SUPPLYING SYSTEM FOR SENSOR NETWORK}

본 발명은, 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 외력에 의해 일정 이상으로 벤딩 가능한 플렉서블 압전소자와 풍력을 이용하여 전기를 발생할 수 있는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템에 관한 것이다.

최근 화석연료의 자원고갈을 대처하고 화석연료에 의한 공해를 줄이기 위해 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 풍력, 수력, 지열 등의 자연에너지를 이용한 전력의 생산에 대한 연구가 진행되고 있다.

대체에너지 산업은 주로 초기의 시설비용이 많이 소요되는 단점이 있지만, 풍력발전의 경우 다른 대체에너지 산업에 비하여 자원이 풍부할 뿐만 아니라 설치비용이 저렴하고 지역의 제한도 비교적 없어 세계적으로 풍력발전에 대한 관심이 대두되고 있는 상태이다.

따라서, 이러한 풍력을 이용하여 일 예로 유선 또는 무선 센서 네트워크에 구비된 다양한 센서에 구동 전원을 공급하거나, 기타 전원 공급이 필요한 다양한 부품들에 전기를 공급하여 사용할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 목적은, 외력에 의해 일정 이상으로 벤딩 가능한 플렉서블 압전소자와 풍력을 이용하여 전기를 발생할 수 있는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 풍력의 세기가 일정 이하로 작은 경우에도 보다 효율적으로 압전소자를 벤딩하여 전기를 발생할 수 있도록 하는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기 목적은, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및 상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치에 의해서 달성된다.

상기 목적은, 유선 또는 무선 센서 네트워크에 구비된 다양한 센서에 구동 전원을 공급하는 장치로서, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및 상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치에 의해서 달성된다.

상기 목적은, 유선 또는 무선 센서 네트워크에 구비된 다양한 센서에 각각 구동 전원을 공급하도록 각각의 센서에 대응하도록 마련되는 장치로서, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및 상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치에 의해서 달성된다.

상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자는, 벤딩이 가능하도록 그 일단 영역이 지지체에 고정되고 타단 영역이 상기 회전 블레이드에 접촉 가능하도록 마련될 수 있다.

상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자에 각각 전기적으로 연결되어 상기 플렉서블 압전소자로부터 발생하는 전기적인 출력이 전압으로 변환되어 저장되는 축전지를 더 포함할 수 있다.

상기 축전지에 저장된 전기를 유선 또는 무선 센서 네트워크로 인가하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자는 각각, 한 쌍의 플렉서블 기판사이에 페브로스카이트 구조를 갖는 압전 박막층 (BTO, PZT)층이 마련된 구조를 가질 수 있다.

상기 목적은, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및 상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하며, 상기 회전팬부는, 상기 회전 블레이드로서 복수의 메인 회전블레이드를 구비하는 메인 회전팬부; 및 상기 메인 회전팬부와의 사이에 회전동력연결부를 개재한 상태로 상기 메인 회전팬부와 연결되며, 상기 메인 회전블레이드에 비해 회전반경이 작게 형성되어 상기 풍력에 의한 상기 메인 회전블레이드의 회전을 보조하는 서브 회전블레이드를 구비하는 서브 회전팬부를 포함하며, 상기 회전동력연결부는 상기 서브 회전블레이드의 회전토크를 일정 이상 증가시키는 복수의 기어를 포함할 수 있다.

상기 복수의 메인 회전블레이드가 상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자에 접촉 가능하도록 마련될 수 있다.

상기 목적은, 유선 또는 무선 센서 네트워크; 및 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치를 포함하는 센서 네트워크 전원 공급 시스템에 의해 달성된다.

본 발명의 실시형태에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치 및 센서 네트워크 전원 공급 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 외력에 의해 일정 이상으로 벤딩 가능한 플렉서블 압전소자와 풍력을 이용하여 전기를 발생할 수 있으므로 친환경적으로 전기 에너지를 공급할 수 있게 된다.

둘째, 풍력의 세기가 일정 이하로 작은 경우에도 효율적으로 회전팬부를 동작시켜 압전소자를 벤딩하여 전기를 발생할 수 있게 된다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치를 나타내는 정면도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치에서 회전팬부의 구동에 의해 플렉서블 압전소자가 벤딩된 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치를 나타내는 정면도이고, 도 2는 도 1의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치에서 회전팬부의 구동에 의해 플렉서블 압전소자가 벤딩된 상태를 나타내는 도면이다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치(이하, '전기발생장치'라 한다)는, 각종 전장 시스템의 구동 전원으로서의 전기를 생성 가능한 것으로서, 이와 같이 생성된 전기는 일 예로 각종 센서들이 네트워크 형태로 연결된 유선 또는 무선 센서 네트워크로 인가될 수 있다. 또한, 본 실시예는, 유선 또는 무선 센서 네트워크에 구비된 다양한 센서에 각각 구동 전원을 공급하도록 각각의 센서에 대응하도록 각각 마련될 수 있다. 이러한 유선 또는 무선 센서 네트워크와, 본 실시예에 따른 전기발생장치를 포함하여 센서 네트워크 전원 공급 시스템을 이룰수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 전기발생장치는 가로등, 각종 도로 감시장치 등에 사용 가능하며, 구체적으로 전기발생장치로부터 생성된 전기는 가로등 램프를 발광하거나 가로등에 구비된 별도의 CCTV를 구동할 수도 있다. 한편, 전술한 적용예는 단순히 일부만 설명한 것으로서 이에 한정되는 것은 아니며 구동 전원이 필요한 보다 다양한 분야에 적용 가능하다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기발생장치는, 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드(101)를 구비하는 회전팬부(100), 및 회전 블레이드(101)의 회전시 회전 블레이드(101)와 접촉하도록 회전팬부(100)의 주변에 마련되는 적어도 하나의 플렉서블 압전소자(200)를 포함한다.

먼저, 회전팬부(100)는 별도의 전원 인가에 의해 회전 가능한 구조로 마련되는 것이 아니라, 풍력 즉 자연풍에 의해 자체적으로 회전 가능하도록 마련된다. 구체적으로, 회전팬부(100)는 별도의 지지체(300)에 그 회전축 단부 등이 고정되게 설치 가능하며, 여기서 지지체(300)라 함은 회전팬부(100)를 고정설치하기 위한 일종의 브래킷, 케이스, 패널 등 다양한 형태로 적용 가능하다. 아래에서 자세히 설명하겠지만, 본 실시예는 풍력에 의한 회전 블레이드(101)의 자체 회전시 이러한 회전 블레이드(101)에 의해 타격된 상태의 플렉서블 압전소자(200)로부터 발생된 전기가 전술한 유선 또는 무선 센서 네트워크, 가로등 램프, CCTV 등으로 공급된다.

즉, 본 실시예에서, 플렉서블 압전소자(200)로부터 발생하는 전기력을 향상시키기 위해, 회전팬부(100)는 풍력에 의해 용이하게 회전 가능한 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다.

이를 위해, 회전팬부(100)는, 복수의 메인 회전블레이드(111)를 구비하는 메인 회전팬부(110), 및 메인 회전팬부(110)와의 사이에 회전동력연결부(130)를 개재한 상태로 메인 회전팬부(110)와 연결되는 서브 회전팬부(120)를 포함한다.

복수의 메인 회전블레이드(111)는 적어도 하나의 플렉서블 압전소자(200)에 접촉 가능하도록 마련된다. 또한, 서브 회전팬부(120)는, 메인 회전블레이드(111)에 비해 회전반경이 작게 형성되어 풍력에 의한 메인 회전블레이드(111)의 회전을 보조하는 서브 회전블레이드(121)를 구비한다. 본 실시예에서, 메인 회전블레이드(111)와 서브 회전블레이드(121)는 하나의 회전축 상에 회전 가능하게 연결되며, 이러한 회전축의 단부는 전술한 바와 같이 별도의 지지체(300)에 고정된다. 한편, 본 실시예에서, 회전동력연결부(130)는 서브 회전블레이드(121)의 회전토크를 일정 이상 증가시키는 복수의 기어를 포함한다.

본 실시예에서, 메인 회전블레이드(111)와 서브 회전블레이드(121)는 각각 방사형 구조로 형성되며, 풍력에 의해 용이하게 회전 가능하도록 전체적으로 곡선 모양의 절곡된 형상을 갖는다.

본 실시예에서, 서브 회전블레이드(121)는 메인 회전블레이드(111)에 비해 상대적으로 경량으로 이루어짐과 더불어 회전반경이 작게 형성되어 풍력의 세기가 상대적으로 약할 경우에도 풍력에 의해 쉽게 회전할 수 있게 형성된다. 즉, 서브 회전블레이드(121)가 마련되지 않고 메인 회전블레이드(111)만 마련되며 풍력의 세기가 상대적으로 약한 상황에서는 실질적으로 후술하는 축전지(400)로 전력을 축전시키도록 동력을 제공하는 메인 회전블레이드(111)의 회전이 발생하지 않을 수 있는데, 이러한 경우 서브 회전블레이드(121)는 메인 회전블레이드(111)의 초기 회전을 가능하게 하는 보조 수단으로서 활용될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라 서브 회전블레이드(121)와 회전동력연결부(130)는 생략될 수도 있다.

회전동력연결부(130)는 메인 회전블레이드(111) 자체만으로는 회전이 불가한 경우 즉, 풍력의 세기가 일정 이하인 경우, 서브 회전블레이드(121)의 회전력을 메인 회전블레이드(111)로 전달하여 메인 회전블레이드(111)가 좀 더 용이하게 회전하도록 마련된다. 이러한 회전동력연결부(130)는, 서브 회전블레이드(121)에 비해 상대적으로 고중량과 넓은 회전반경을 갖는 메인 회전블레이드(111)의 회전 발생을 자연스럽게 유도하도록 서브 회전블레이드(121)의 회전 토크를 일정 이상 증가시켜 메인 회전블레이드(111)로 전달할 수 있게 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 회전동력연결부(130)는 서브 회전블레이드(121)의 회전축에 연결되는 서브 스퍼기어(미도시)와, 서브 스퍼기어(미도시)에 맞물림되며 메인 회전블레이드(111)의 회전축에 연결되는 메인 스퍼기어(미도시)를 포함한다. 여기서, 서브 스퍼기어와 메인 스퍼기어의 모듈값은 서로 동일하며, 서브 스퍼기어의 잇수와 직경은 상대적으로 메인 스퍼기어의 잇수와 직경에 비해 작게 형성된다. 따라서, 서브 회전블레이드(121)의 회전토크는 서브 스퍼기어와 메인 스퍼기어 사이의 잇수비 또는 직경비에 관계하여 일정 이상 증가되며 이에 따라 메인 회전블레이드(111)는 좀 더 수월하게 회전될 수 있다. 본 실시예에서는 서브 회전블레이드(121)의 회전토크를 증가시키기 위한 수단으로서 기어모듈을 채용하고 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 스프라킷 휠, 벨트-풀리 등의 기타 다른 동력전달수단이 적용되어도 무방하다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 플렉서블 압전소자(200)는, 회전 블레이드(101), 구체적으로 메인 회전블레이드(111)에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 메인 회전블레이드(111)에 의한 타격시 전기를 생성하는 것으로서, 회전팬부(100)의 주변에 서로 이격되게 적어도 하나로 마련될 수 있다. 본 실시예에서, 플렉서블 압전소자(200)는 메인 회전블레이드(111)의 회전 원주방향을 따라 서로 이격되게 4개가 마련되어 있지만, 이러한 설치 개수는 변동 가능하다.

일반적으로, 압전소자는 외부에서 인가되는 압력에 따라 전기를 발생시키는 방식이나, 본 실시예에서의 플렉서블 압전소자(200)는 자연스럽게 휘어질 수 있는 플렉서블 기판(미도시)에 응용되어 자연스럽게 발생하는 플렉서블 기판의 휘는 특성을 즉시 전기적 에너지로 전화시킬 수 있는 장점이 있다.

본 실시예에서, 적어도 하나의 플렉서블 압전소자(200)는 각각, 한 쌍의 플렉서블 기판(미도시)사이에 압전소자층(미도시)이 마련된 구조를 갖는다. 이러한 압전소자층은 페브로스카이트 구조를 갖는 압전 박막층(BTO, PZT)로 적용 가능하다.

이러한 플렉서블 압전소자(200)는 일정 이상의 외압에 의해 충분히 벤딩 가능한 구조로 이루어지며, 이러한 벤딩 구조를 갖는 압전소자는 현재 관련 기술분야에서 개발 및 상용화가 이루어지는 것으로서 이하 추가 설명은 생략한다.

본 실시예에서, 적어도 하나의 플렉서블 압전소자(200)는, 벤딩이 가능하도록 그 일단 영역이 전술한 지지체(300)에 고정되고 타단 영역이 회전 블레이드(101), 즉 메인 회전블레이드(111)에 접촉 가능하도록 마련된다. 따라서, 풍력에 의해 메인 회전블레이드(111)가 자체적으로 회전하면, 플렉서블 압전소자(200)는 이러한 메인 회전블레이드(111)에 의해 타격되어 도 3에 도시한 바와 같이 벤딩됨으로써 일정 이상의 전압을 갖는 전기를 생성하게 된다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 전기발생장치는, 적어도 하나의 플렉서블 압전소자(200)에 각각 전기적으로 연결되어 플렉서블 압전소자(200)로부터 발생하는 전기적인 출력이 전압으로 변환되어 저장되는 축전지(400)를 더 포함한다. 축전지(400)에 저장된 전기는 바람의 세기가 약해서 메인 회전블레이드(111)가 회전할 수 없는 경우 필요한 곳으로 공급 가능하다.

또한, 본 실시예는, 축전지(400)에 저장된 전기를 일 예로 유선 또는 무선 센서 네트워크로 인가하는 제어부(500)를 더 포함한다. 이러한 제어부(500)는, 회전팬부(100)의 회전을 감지하는 별도의 회전감지센서(미도시)의 측정값을 전달받아 회전팬부(100)의 회전이 발생하지 않는 상황인 것으로 판단되면 축전지(400)에 저장된 전기를 유선 또는 무선 센서 네트워크로 인가할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 제어부(500)는 축전지(400)에 저장된 전기를 가로등 램프, CCTV 등 적절하게 전기가 필요한 부분으로도 인가할 수 있음은 물론이다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 회전팬부 110: 메인 회전팬부
111: 메인 회전블레이드 120: 서브 회전팬부
121: 서브 회전블레이드 130: 회전동력연결부
200: 플렉서블 압전소자 300: 지지체
400: 축전지 500: 제어부

Claims (15)

1. 풍력에 의해 자체 회전 가능한 회전 블레이드를 구비하는 회전팬부; 및
   상기 회전 블레이드의 회전시 상기 회전 블레이드와 접촉하도록 상기 회전팬부의 주변에 마련되며, 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 일정 이상 벤딩 가능하도록 형성되어 상기 회전 블레이드에 의한 타격시 전기를 생성 가능한 적어도 하나의 플렉서블 압전소자를 포함하며,
   상기 회전팬부는,
   상기 회전 블레이드로서 복수의 메인 회전블레이드를 구비하는 메인 회전팬부; 및
   상기 메인 회전팬부와의 사이에 회전동력연결부를 개재한 상태로 상기 메인 회전팬부와 연결되며, 상기 메인 회전블레이드에 비해 회전반경이 작게 형성되어 상기 풍력에 의한 상기 메인 회전블레이드의 회전을 보조하는 서브 회전블레이드를 구비하는 서브 회전팬부를 포함하며,
   상기 회전동력연결부는 상기 서브 회전블레이드의 회전토크를 일정 이상 증가시키는 복수의 기어를 포함하는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 메인 회전블레이드가 상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자에 접촉 가능하도록 마련되는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 플렉서블 압전소자는 각각, 한 쌍의 플렉서블 기판사이에 페브로스카이트 구조를 갖는 압전 박막층이 마련된 구조를 갖는 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치.
4. 유선 또는 무선 센서 네트워크; 및
   제1항 또는 제2항의 플렉서블 압전소자를 이용한 전기발생장치를 포함하는 센서 네트워크 전원 공급 시스템.
   
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