KR101565655B1 - 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 압전 발전 장치는, 공기의 흐름에 의한 외력에 노출되고 진동할 수 있는 공기저항부; 및 공기저항부와 터널 벽 및 각종 고정 기반 요소 사이를 연결해줄 수 있으며, 자체적인 탄성력을 가지고 있는 공기저항부 고정부; 및 용도에 따라 저장 장치, 정류 장치, 부하 장치 등을 단독 혹은 혼합하여 구성할 수 있는 적용부;를 포함할 수 있다
Description
터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치가 개시된다. 보다 구체적으로, 터널에서 이동하는 철도차량에 의해 공기의 흐름이 발생되며, 이 공기의 흐름을 이용하여 터널 상면부 혹은 측면부 혹은 하면부에 설치된 압전 발전 장치를 진동시켜 에너지를 수확하는 압전 발전 장치가 개시된다.
철도가 지나가는 터널 내부에는 여러 가지 장치가 설치되어 있으며, 그 중 전기를 이용한 각종 장치가 사용되고 있다. 전기를 이용한 장치는 외부 전원이 필요하며 이것은 대부분 발전소를 통해 공급되는 상업용 전력을 이용하고 있다. 이러할 경우, 광범위한 배선문제가 필요하다.
이러한 문제점은 전기를 이용한 각종 장치에 독립 전원을 설치하여 해결할 수 있다. 이 독립 전원은 각종 베터리를 사용할 수 있으나, 베터리의 경우 주기적인 교체가 필수적이며 이로인한 각종 환경오염 문제를 야기시킨다.
공개특허(제10-2013-0009580호)는 복수 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬의 집적 구조로 구성하거나 복수 개의 압전소자를 단층 또는 다층 구조로 구성하는 수류를 이용한 압전 하베스팅 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따른 목적은, 터널 내부에서 이동하는 철도차량에 의해 발생되는 공기의 흐름을 이용한 압전 발전 장치를 제공하는 것이다.
또한, 일 실시예에 따른 다른 목적은, 제시된 공기의 흐름을 이용하여, 에너지 전달과정을 통해, 최종적으로 PZT와 PVDF를 진동시켜 전기 에너지 수확이 가능한 장치를 제공하는 것이다.
또한, 일 실시예에 따른 다른 목적은, 복수 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 직접하여 주어진 힘이 최대한 수확될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 압전 발전 장치는, 공기의 흐름에 의한 외력에 노출되고 진동할 수 있는 공기저항부, 자체적인 탄성력을 구비하고 압전소자가 부착되는 고정부, 저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함하고, 상기 압전 발전 장치는 고정 기반 요소에 고정되고, 상기 고정부는 상기 공기저항부가 진동할 때 함께 진동하여 압전소자를 통한 에너지 수확이 가능할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공기의 흐름은 철도차량이 지나가는 터널 이외에 다양한 교통수단 및 이동체가 지나가는 터널 및 벽면에서 발생하며, 이러한 교통수단 및 이동체가 지나가는 터널에 상기 압전 발전 장치가 적용 가능하다. 여기서, 상기 벽면은 상, 하, 측면의 모든 면 또는 일부 면일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적용부는 시각화기기를 더 포함하고, 상기 공기저항부와 상기 시각화기기의 거리는 이동체의 이동 속도에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 철도차량 및 이동체의 이동 속도를 고려하여 공기저항부와 시각 장치를 부하로 사용한 적용부 사이의 거리를 선택할 수 있다. 상기 적용부는 시각장치를 더 포함하고, 이동체에 탑승한 사람이 시각 장치를 통해 시각 정보를 받을 수 있는 최적거리를 고려하여 공기저항부와 적용부 사이의 거리를 선택할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 압전소자는 PVDF 또는 PZT 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 고정부는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료를 단독 혹은 혼합하여 이용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부의 형태는 직각, 원, 삼각 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 고정부의 배치는 상기 공기저항부를 고정할 수 있는 범위 안에서 다양하게 배치할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부는 압전소자를 포함하고, 상기 압전소자는 PVDF 또는 PZT 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 공기저항부는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료를 단독 혹은 혼합하여 이용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부와 상기 고정부 사이, 상기 공기저항부 고정부와 벽 사이를 고정하는 방법은 접착제, 못, 볼트 등 다양한 방법으로 가능하다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부에 포함되는 PVDF 및 PZT는 단수 혹은 복수 개 사용 가능하며, 복수 개 사용시 적층, 접합 등의 다양한 방법으로 배치할 수 있다. 또한 그 구성을 병렬, 직렬, 직병렬 혼합 방법으로 다양하게 구성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적용부의 경우 저장기기, 정류기기, 부하기기 등의 다양한 장치로 용도에 맞게 사용할 수 있다. 상기 적용부는 저장기기, 정류기기, 부하기기 등을 각각 단독으로 혹은 혼합하여 내부에 설치할 수 있다.
일측에 따르면, PVDF와 PZT에서 수확된 전기의 형태가 다를 수 있으므로 상기 적용부를 달리하여 구분하여 사용할 수도 있다.
한편, 일 실시예에 따른 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치는 공기의 흐름에 의한 외력에 노출되어 있고 그 외력에 의해 진동할 수 있는 수확부, 수확부에서 생산된 전력을 다양한 용도로 사용할 수 있는 적용부를 포함한다. 이 때, 적용부는 저장기기, 정류기기, 부하기기 등의 다양한 장치로 용도에 맞게 사용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수확부는 공기 흐름에 의한 외력을 흡수하는 공기저항부, 공기저항부를 터널의 벽면과 고정할 수 있는 고정부를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 소재로 사용될 수 있으며, 상기 공기저항부 고정부는 상기 공기저항부의 진동에 의해 변형 및 복원 될 수 있는 일정한 탄성을 지닌 재료로 구성된다.
일측에 따르면, 상기 공기저항부는 압전소자를 포함하고, 상기 압전소자는 PVDF 또는 PZT 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 공기저항부는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료를 단독 혹은 혼합하여 이용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 고정부는 변형 및 복원이 반복적으로 가능한 일정한 탄성을 지닌 플라스틱, 금속 등과 같은 재료와 함께 PZT를 접착하는 방식으로 혼합사용할 수 있다. PZT가 포함된 상기 고정부는 상기 공기저항부가 공기 흐름의 외력에 의해 진동할 때 함께 진동하여 PZT를 통한 에너지 수확이 가능하다.
일측에 따르면, 상기 적용부는 시각화기기를 포함하고, 상기 시각화기기는 상기 수확부 후단에 설치되어, 상기 터널 내로 지나가는 열차로부터의 공기 흐름에 의해 상기 수확부가 전력을 발생시키고, 상기 전력에 의해 상기 시각화기기가 작동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 독립 전원으로 사용되는 베터리의 환경오염 문제를 해결하기 위해 유용하고, 보다 구체적으로 반영구적 사용이 가능하여 교체의 필요성이 배터리의 그것과 비교해 현저히 적으므로 이로 인해 환경오염 문제를 줄일 수 있다.
또한, 열차의 이동에 의해 생성되는 공기의 흐름을 이용한 발전이므로 버려지는 에너지를 수확하여 발전하는 방식이기에 친환경적이다.
도 1은 기차가 터널을 지나가는 상황에서 터널의 벽면에 달린 압전 발전 장치를 나타낸 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도3은 삼각형, 원형, 오각형의 형상을 나타낸 압전 발전 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 압전 발전 장치의 공기저항부에 압전소자가 배열된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 압전 발전 장치의 고정부를 확대한 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도3은 삼각형, 원형, 오각형의 형상을 나타낸 압전 발전 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 압전 발전 장치의 공기저항부에 압전소자가 배열된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 압전 발전 장치의 고정부를 확대한 확대도이다.
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.
일 실시예에 따른 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치(100)는 상기 공기 흐름을 외력으로 하여 에너지를 수확한 뒤, 그 에너지를 저장 및 즉각적인 사용을 할 수 있다.
도1은 기차(M)가 터널(T)을 지나가는 상황에서 터널의 벽면에 달린 압전 발전 장치(100)를 나타낸 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 공기의 흐름은 기차가 지나가는 터널 이외에 다양한 교통수단 및 이동체가 지나가는 터널 및 벽면에서 발생하며, 이러한 교통수단 및 이동체가 지나가는 터널에 상기 압전 발전 장치를 부착할 수 있다. 여기서, 상기 벽면은 상, 하, 측면의 모든 면 또는 일부 면일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널에서 이동하는 철도차량에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
일 실시예에 따르면, 공기의 흐름에 의한 외력에 노출되어 있고 그 외력에 의해 진동할 수 있는 수확부(140), 상기 수확부(140)에서 생산된 전력을 다양한 용도로 사용할 수 있는 적용부(112)를 포함한다. 상기 수확부(140)는 공기 흐름에 의한 외력을 흡수하는 공기저항부(110), 상기 공기저항부(110)를 고정기반요소에 고정할 수 있는 고정부(111)를 포함한다. 상기 공기저항부(110) 또는 상기 고정부(111)에는 압전소자(120)가 부착되고, 상기 압전소자(120)는 상기 적용부(112)와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 적용부(112)는 저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 공기저항부(110) 또는 고정부(111)에 부착된 압전소자는(120) 연결부(130)에 의하여 상기 적용부(112)에 연결된다. 상기 압전 발전 장치는 고정 기반 요소에 고정되고, 상기 공기저항부 고정부(111)는 상기 공기저항부(110)가 진동할 때 함께 진동하여 압전소자(120)를 통한 에너지 수확이 가능하다. 상기 공기저항부(110)가 공기의 흐름에 의해 진동할 때, 상기 고정부는 상기 공기저항부(110)를 철도차량이 지나가는 터널의 벽에 고정시킬 수 있다.
상기 적용부(112)의 경우 저장기기, 정류기기, 부하기기 등의 다양한 장치로 용도에 맞게 사용할 수 있다. 전기 에너지를 저장하여 추후에 사용하거나, 축척하여 높은 전력을 요구하는 장치에 사용하기 위해선 저장 장치에 저장을 해야 하며, 저장을 위해선 먼저 정류 장치를 거치는 것이 필수적이다. 이에 사용하는 용도에 따라 상기 적용부(112)는 저장기기, 정류기기, 부하기기 등을 각각 단독으로 혹은 혼합하여 내부에 설치할 수 있다.
여기서, 수확된 에너지는 여러 가지 발광(light emitting) 혹은 디스플레이(display) 장치에 인가하여 즉각적인 사용이 가능하며, 혹은 저장하여 여러 가지 전기기기를 작동시킬 수 있다.
도3은 삼각형, 원형, 오각형의 형상을 나타낸 압전 발전 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 공기저항부의 형태는 직각, 원, 삼각 등 다양한 형태로 구성할 수 있다. 또한, 상기 고정부(111)의 배치는 상기 공기저항부의 형상에 대응하여 달라질 수 있고, 상기 공기저항부(110)를 고정할 수 있는 범위 안에서 다양하게 배치할 수 있다.
도4는 압전 발전 장치(110)의 공기저항부에 압전소자가 배열된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 공기저항부(110)는 공기 흐름에 의한 외력을 받아 진동과 같은 임의의 운동을 일으키게 된다. 상기 공기저항부(110)는 압전소자(120)를 포함하고, 상기 압전소자는 PVDF(121) 또는 PZT(122) 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 공기저항부(110)는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료를 단독 혹은 혼합하여 이용할 수 있다. 공기 흐름에 의한 외력으로 압전소자(120)가 포함된 공기저항부(110)가 진동할 시, 압전소자(120)를 통한 에너지 수확이 가능하다. 수확된 에너지는 연결부(130)를 통해 적용부(112)에 전달된다.
일측에 따르면, 상기 적용부(112)는 시각화기기를 더 포함하고, 상기 공기저항부(110)와 상기 시각화기기의 거리는 이동체의 이동 속도에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 철도차량 및 이동체의 이동 속도를 고려하여 공기저항부(110)와 시각 장치를 부하로 사용한 적용부 사이의 거리를 선택할 수 있다. 상기 적용부(112)는 시각장치를 더 포함하고, 이동체에 탑승한 사람이 시각 장치를 통해 시각 정보를 받을 수 있는 최적거리를 고려하여 공기저항부와 적용부 사이의 거리를 선택할 수 있다.
도5는 압전 발전 장치(100)의 고정부를 확대한 확대도이다. 상기 고정부(111)의 경우 공기저항부(110)의 진동에 의해 변형 및 복원 될 수 있는 일정한 탄성을 지닌 재료로 구성된다. 보다 구체적으로, 상기 압전소자(120)는 PVDF(121) 또는 PZT(122) 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 고정부(111)는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료를 단독 혹은 혼합하여 이용할 수 있으며, 그 형태는 판 형태, 원통형태 등 다양한 형태로 제작가능하나, 상기 PZT(122)의 경우 판(plate) 형태로 제작하여야 에너지 수확 측면에서 효과적이다.
일 실시예에서 사용되는 압전 물질로는 폴리불화 비닐라덴(PVDF) 및 티탄산 지르콘산 연(PZT)이 있다. PVDF는 압전 변형상수가 수정의 10배, 탄성률이 낮기 때문에 압전 응력상수가 종래의 압전결정의 값을 크게 능가하고 있다. 헤드폰이나 마이크로폰, 스피커, 키보드 스위치 등에 이용되고 있다. 압전 착화소자로서 가스레인지, 라이터 등의 점화기에, 진동자로서 초음파 세척기에 이용된다. 그리고 어군 탐지기와 초음파 현미경의 검출기로서도 이용되고 있다. 세라믹 필터로서의 용도는 통신기, FM, TV용 등 다양하다. 초전성의 이용 예로는 전자레인지의 적외선 온도센서가 있다
PZT(120)가 포함된 상기 공기저항부 고정부(111)는 상기 공기저항부(110)가 진동할 때 함께 진동하여 PZT(120)를 통한 에너지 수확이 가능하다. 수확된 에너지는 상기 PVDF에서 수확된 에너지와 마찬가지로 연결부(130)를 통해 적용부(112)에 전달된다. PVDF와 PZT(120)에서 수확된 전기의 형태가 다를 수 있으므로 상기 적용부(112)를 달리하여 구분하여 사용할 수도 있다.
상기 압전 발전 장치(100)는, 철도차량 및 이동체의 이동 속도를 고려하여 공기저항부와 시각 장치를 부하로 사용한 적용부(112) 사이의 거리를 선택할 수 있다. 상기 적용부는 시각장치를 더 포함하고, 이동체에 탑승한 사람이 시각 장치를 통해 시각 정보를 받을 수 있는 최적거리를 고려하여 공기저항부(110)와 적용부(112) 사이의 거리를 선택할 수 있다.
한편, 전술한 압전 발전 장치(100)는, 터널 내에서 터널의 내벽에 부착될 수도 있지만, 예를 들면 터널의 상부벽으로부터 내측으로 함몰 형성된 캐비티에 부착될 수도 있다. 이의 경우, 철도차량의 이동 시 공기저항을 이용하여 압전 발전 장치의 에너지 생성을 상대적으로 증대시킬 수 있다.
앞에서 기술한 실시예에 따르면, 이동체가 터널 내를 통과하는 동안 상당히 큰 에너지를 품은 바람을 발생시키게 되며, 이러한 에너지를 전기적으로 축적하는 것은 외부적으로 공급해야 하는 에너지의 사용을 줄여줄 것이며, 따라서 에너지 사용의 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 명세서에 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.
100: 압전 발전 장치
110: 공기저항부
111: 공기저항부 고정부
112: 적용부
120: 압전소자
121: PVDF
122: PZT
130: 연결부
140: 수확부
110: 공기저항부
111: 공기저항부 고정부
112: 적용부
120: 압전소자
121: PVDF
122: PZT
130: 연결부
140: 수확부
Claims (10)
- 열차에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치에 있어서,
압전소자가 부착되고 공기의 흐름에 의한 외력에 노출되고 진동할 수 있는 공기저항부;
자체적인 탄성력을 구비하고 압전소자가 부착되며, 일 단은 터널의 벽면에 부착되고 타 단은 공기저항부에 부착되어서 열차가 지나가는 터널의 벽면에 상기 공기저항부를 고정하는 복수 개의 고정부; 및
저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부;
를 포함하고,
상기 고정부는 상기 공기저항부의 외형을 따라 상측, 하측, 좌측, 및 우측에 일정한 간격을 두고 배치되고,
상기 압전 발전 장치는 터널의 상부벽으로부터 내측으로 함몰 형성된 캐비티에 부착되고,
상기 적용부는 시각화기기를 더 포함하고, 상기 공기저항부와 상기 시각화기기의 거리는 열차의 이동 속도, 및 열차에 탑승한 사람이 상기 시각화기기를 통해 시각 정보를 받을 수 있는 최적거리를 고려하여 선택될 수 있고,
상기 고정부는 상기 공기저항부가 진동할 때 함께 진동하여 압전소자를 통한 에너지 수확이 가능한 압전 발전 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서
상기 압전소자는 PVDF 또는 PZT 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 공기저항부 또는 고정부는 공기 흐름의 외력에 의해 각종 진동이 발생될 수 있는 플라스틱, 금속, 천 등의 재료로 구성될 수 있는 압전 발전 장치.
- 제 4항에 있어서
상기 압전소자는 상기 PVDF 또는 PZT를 적층, 접합 등의 방법으로 배치하고, 구성을 병렬, 직렬, 직병렬 혼합 방법으로 구성할 수 있는 압전 발전 장치.
- 삭제
- 열차에 의한 공기 흐름을 이용한 압전 발전 장치에 있어서,
공기의 흐름에 의한 외력에 노출되고 상기 외력에 의해 진동하여 전력을 발생시키는 수확부; 및
상기 수확부에서 생산된 전력을 이용할 수 있는 적용부;
를 포함하고,
상기 수확부는 공기 흐름에 의한 외력을 흡수하는 공기저항부, 및 일 단은 터널의 벽면에 부착되고 타 단은 상기 공기저항부에 부착되어서 열차가 지나가는 터널의 벽면에 상기 공기저항부를 고정하는 복수 개의 고정부를 포함하고,
상기 공기저항부 및 고정부에는 압전소자가 부착되고,
상기 고정부는 상기 공기저항부의 외형을 따라 상측, 하측, 좌측, 및 우측에일정한 간격을 두고 배치되고,
상기 수확부는 상기 열차가 지나가는 터널의 상부벽으로부터 내측으로 함몰 형성된 캐비티에 부착되고,
상기 적용부는 시각화기기를 포함하고, 상기 시각화기기는 상기 수확부 후단에 설치되어, 상기 터널 내로 지나가는 열차로부터의 공기 흐름에 의해 상기 수확부가 전력을 발생시키고, 상기 전력에 의해 상기 시각화기기가 작동할 수 있고,
상기 공기저항부와 상기 시각화기기의 거리는 열차의 이동 속도, 및 열차에 탑승한 사람이 상기 시각화기기를 통해 시각 정보를 받을 수 있는 최적거리를 고려하여 선택될 수 있는 압전 발전 장치.
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