KR101366978B1 - 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 리프 스프링 타입으로 마련되며, 높이 방향으로 배치되는 복수 개의 플레이트; 및 플레이트의 적어도 일면에 장착되며, 플레이트의 진동 시 같이 진동함으로써 전기에너지를 생성하는 압전체;를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 사람들이 철도 차량 및 화물차 차체의 진동을 감쇠 시키는 리프스프링에 압전체를 부착하여 진동을 감쇠시킬 때 발생하는 리프 스프링의 변형을 이용하여 압전 발전을 할 수 있다.

Description

리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템{Piezoelectric harvesting system}
리프 스프링에 응용 가능한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 철도 차량이나 화물차 등 진동이 심한 차체의 진동을 감쇠시켜주는 리프 스프링의 플레이트에 압전체를 부착하여 리프 스프링이 진동을 감쇠시키며 변형할 때 전기에너지를 생성할 수 있는 가능한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다.
최근에는 태양광, 태양열, 풍력, 수력의 신재생 에너지 이외에도 압전 현상을 이용하여 우리 주위에 버려지고 있는 진동에너지를 수확하여 에너지를 생산하는 연구가 진행되고 있다. 압전 하베스팅 기술이 향상됨에 따라 MEMS와 같은 작은 기기에 미세한 전력을 공급하는 것을 넘어서 점점 더 많은 전력을 생산하여 대체 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 진행 중이다.
더 효과적인 발전을 위해서 풍력, 수력, 태양광 외에도 기차 및 자동차의 진동 등 사람에 의한 인위적인 진동을 효과적으로 재활용할 필요성이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 사람들이 철도 차량 및 화물차 차체의 진동을 감쇠시키는 리프 스프링 타입의 플레이트에 압전체를 부착하여 진동을 감쇠시킬 때 발생하는 플레이트의 변형을 이용하여 압전 발전을 할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 다층으로 적층된 플레이트에 압전체를 부착하여 보다 높은 에너지 발전 효율을 가지는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 차체 바닥에 넓은 범위로 복수 개 설치되어 보다 많은 양의 전기에너지를 발전할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 리프 스프링 타입으로 마련되며, 높이 방향으로 배치되는 복수 개의 플레이트; 및 상기 플레이트의 적어도 일면에 장착되며, 상기 플레이트의 진동 시 같이 진동함으로써 전기에너지를 생성하는 압전체;를 포함하며, 이러한 구성에 의해서, 사람들이 철도 차량 및 화물차 차체의 진동을 감쇠 시키는 리프스프링에 압전체를 부착하여 진동을 감쇠시킬 때 발생하는 리프 스프링의 변형을 이용하여 압전 발전을 할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 복수 개의 플레이트의 양단부가 고정되는 고정몸체를 더 포함하며, 상기 플레이트에 외력이 가해지는 경우 양단부가 상기 고정몸체에 고정된 상기 플레이트는 상하 방향으로 진동함으로써 상기 압전체에 진동을 제공할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 복수 개의 플레이트의 중앙 부분을 관통하도록 배치되는 중심축; 및 상기 플레이트들 사이사이에 배치되도록 상기 중심축에 결합되어 상기 플레이트에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 중심축의 양단부에는 상기 플레이트의 이탈을 방지하는 이탈 방지부재가 각각 결합될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전체는 상기 플레이트의 상면 또는 하면에서 중앙 영역을 기준으로 양측에 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전 하베스팅 시스템은 이동 가능한 차량의 차체 상에서 일방향을 따라 복수 개 배치 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사람들이 철도 차량 및 화물차 차체의 진동을 감쇠시키는 리프 스프링에 타입의 플레이트에 압전체를 부착하여 진동을 감쇠시킬 때 발생하는 플레이트의 변형을 이용하여 압전 발전을 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다층으로 적층된 플레이트에 압전체를 부착하여 보다 높은 에너지 발전 효율을 가질 수 있으며, 차체 바닥에 넓은 범위로 설치되어 보다 많은 양의 전기에너지를 발전 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템이 복수 개 구비된 상태를 도시한 도면이다.
도 2은 도 1에 도시된 압전 하베스팅 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 압전 하베스팅 시스템을 정면에서 바라본 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템이 복수 개 구비된 상태를 도시한 도면이고, 도 2은 도 1에 도시된 압전 하베스팅 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 압전 하베스팅 시스템을 정면에서 바라본 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(110)은, 차량의 차체(101, 예를 들면 바닥)에 복수 개 장착될 수 있으며, 따라서 보다 많은 양의 전기에너지를 발전할 수 있다. 즉, 차체(101)의 길이 방향을 따라 압전 하베스팅 시스템(110)이 복수 개 배치됨으로써 차체(101)에 진동이 발생되는 경우 그 진동이 압전 하베스팅 시스템(110)에 각각 전달되어 전기에너지를 생성할 수 있고 생성된 전기에너지를 차량의 구동에 이용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(110)은, 압전체(130)들과, 압전체(130)가 부착되는 리프 스프링 타입의 플레이트(111) 복수 개와, 복수 개의 플레이트(111)의 양단부가 고정되는 고정몸체(120)를 구비할 수 있다.
이러한 구성에 의해서 차체에 진동이 발생되는 경우 각각의 플레이트(111)는 상하 진동할 수 있으며, 이로 인해 압전체(130)에 진동이 발생되어 전기에너지를 생성할 수 있다. 즉, 리프 스프링 타입으로 마련되는 복수 개의 플레이트(111)가 외력에 의해 상하로 진동할 때 압전체(130)에 압축 응력 및 인장 응력이 가해짐으로써 변형이 유발되며, 이로 인해 발전을 할 수 있는 것이다.
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 복수 개의 플레이트(111)는 높이 방향으로 배치되는 구조를 가지며 상면의 양측에는 압전체(130)가 장착될 수 있다.
이러한 플레이트(111)는, 내구성을 구비하면서도 어느 정도 유연성을 갖는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 마련될 수 있으며, 이에 따라 차체(101)에 외력이 가해지는 경우 플레이트(111)가 상하로 진동함으로써 그 진동이 압전체(130)에 거의 그대로 전달될 수 있다.
그리고, 본 실시예의 고정몸체(120)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플레이트(111)의 양단부를 고정하는 부분으로서 한 쌍의 고정부재(121, 125)가 결합됨으로써 구성될 수 있다.
이러한 고정몸체(120)에는 플레이트(111)의 양단부가 부분적으로 인입되는 인입홈(120h)이 높이 방향을 따라 복수 개 마련됨으로써 고정몸체(120)에 대한 플레이트(111)의 결합을 용이하게 할 수 있다.
한 쌍의 고정부재(121, 125)에 복수 개의 플레이트(111)를 결합시킨 후 한 쌍의 고정부재(121, 125)를 상호 결합함으로써 압전 하베스팅 시스템(110)의 기본적인 틀을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 플레이트(111)에는 각각 한 쌍의 압전체(130)가 부착될 수 있다. 보다 구체적으로는, 고정부재(121, 125) 중 상부 고정부재(121)에 결합되는 플레이트(111)에는 중앙을 기준으로 상면의 양측에 한 쌍의 압전체(130)가 부착되고, 고정부재(121, 125) 중 하부 고정부재(125)에 결합되는 플레이트(111)에는 중앙을 기준으로 하면의 양측에 한 쌍의 압전체(130)가 부착될 수 있다.
이로 인해, 플레이트(111)에 외력이 가해지는 경우, 주로 압축 응력이 인장 응력에 비해 상대적으로 강하게 가해짐으로써 전기에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있으며, 아울러 인장 응력이 상대적으로 작게 작용됨으로써 압전체(130)가 파손되는 것을 최소화할 수 있다.
다만, 플레이트(111)에 대한 압전체(130)의 부착 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 플레이트(111)의 상하면 모두에 압전체(130)가 부착될 수 있음은 물론 도 3의 반대측에만 압전체(130)가 장착될 수 있음은 물론이다.
부연하면, 본 실시예의 압전체(130)는 기본적으로 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어나 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전체(130)의 압전소자 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
다만, 압전체(130)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(110)은, 복수 개의 플레이트(111)의 중앙 부분을 관통하도록 배치되는 중심축(140)과, 플레이트(111)들 사이사이에 배치되도록 중심축(140)에 결합되어 플레이트(111)에 탄성력을 제공하는 탄성부재(145)와, 중심축(111)의 양단부에서 결합되어 최상층 및 최하층에 배치되는 플레이트(111)의 이탈을 방지하는 이탈 방지부재(141)들을 더 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 플레이트(111)에 외력이 발생되는 경우, 플레이트(111)는 중심축의 축 방향으로 진동할 수 있으며, 이 때 탄성부재(145)에 의해 제공되는 탄성력에 의해 플레이트(111)의 진동 정도가 강해져 압전체(130)에 전달되는 진동을 높일 수 있으며, 이를 통해 전기에너지 발생 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 사람들이 철도 차량 및 화물차 차체의 진동을 감쇠시키는 리프 스프링 타입의 플레이트(111)에 압전체(130)를 부착하여 진동을 감쇠시킬 때 발생하는 플레이트의 변형을 이용하여 압전 발전을 할 수 있고, 아울러, 높이 방향으로 복수 개 배치되는 플레이트(111)에 압전체(130)를 부착하여 보다 높은 에너지 발전 효율을 가질 수 있으며, 차체 바닥에 넓은 범위로 설치되어 보다 많은 양의 에너지를 발전 할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 압전 하베스팅 시스템
111 : 플레이트
120 : 고정몸체
121, 125 : 고정부재
130 : 압전체
140 : 중심축
141 : 이탈 방지부재
145 : 탄성부재

Claims (6)

  1. 리프 스프링 타입으로 마련되며, 높이 방향으로 배치되는 복수 개의 플레이트;
    상기 플레이트의 적어도 일면에 장착되며, 상기 플레이트의 진동 시 같이 진동함으로써 전기에너지를 생성하는 압전체;
    상기 복수 개의 플레이트의 중앙 부분을 관통하도록 배치되는 중심축; 및
    상기 플레이트들 사이사이에 배치되도록 상기 중심축에 결합되어 상기 플레이트에 탄성력을 제공하는 탄성부재;
    를 포함하는, 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 플레이트의 양단부가 고정되는 고정몸체를 더 포함하며,
    상기 플레이트에 외력이 가해지는 경우 양단부가 상기 고정몸체에 고정된 상기 플레이트는 상하 방향으로 진동함으로써 상기 압전체에 진동을 제공하는, 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심축의 양단부에는 상기 플레이트의 이탈을 방지하는 이탈 방지부재가 각각 결합되는, 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압전체는 상기 플레이트의 상면 또는 하면에서 중앙 영역을 기준으로 양측에 배치되는, 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 하베스팅 시스템은 이동 가능한 차량의 차체 상에서 일방향을 따라 복수 개 배치 가능한, 리프 스프링을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
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