KR101724900B1 - 회전형 에너지 수확 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전형 에너지 수확 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 회전형 에너지 수확 장치는, 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 내측에 수용되는 물과의 접촉 및 분리에 따라 대전이 이루어지게 되는 복수의 메인 대전부들; 및 상기 메인 대전부들과 물 간의 전기적 평형 상태를 깨뜨림으로써 전자의 이동이 가능해 지도록, 상기 메인 대전부들 중 인접한 요소들 사이사이에 배치되고 상기 메인 대전부들과 함께 회전이 이루어지게 되는 복수의 비대전부들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

회전형 에너지 수확 장치{Rotating type energy harvest apparatus}
본 발명은 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 회전에너지와 물을 이용한 에너지 수확이 가능하게 하는 회전형 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
매년 전 세계에서 16TW의 에너지를 소비하는데 비해 지구상에 저장되어 있는 에너지는 대략 1500TW이다. 이런 소비 상황이 지속되면 100년 후에는 심각한 에너지 부족 문제를 겪게 될 것으로 예상된다. 이런 문제를 극복하기 위해 현재 태양발전(23,000TW/year), 풍력발전 (25-75TW/year), 바이오매스 (6TW/year) 등을 통해 다양한 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 기술이 각광받고 있다.
그 중 어디에서나 존재하고 지속가능한 자원인 기계적 에너지를 수확하는 대표적인 발전 소자로는 압전 소자, 전자기 발전 소자, 마찰대전 발전 소자 등이 있는데, 특히 마찰대전 발전 소자는 활용성, 경제성, 높은 효율성 등의 이유로 각광 받고 있다.
마찰대전 발전 소자는, 서로 다른 극성을 나타내는 접촉 대전에 의하여 서로 다른 극성을 뛰는 물질과 전극 사이의 정전기 유도현상을 통해 생기는 전위차로부터 전기에너지를 수확한다. 이러한 원리로 두 개의 물질간의 접촉과 분리를 통해 마찰대전 발전소자가 구동하게 된다.
현재 기계적 에너지를 수확하기 위해 다양한 마찰대전 물질과 설계를 활용한 여러 가지 마찰대전 발전 소자가 제시되고 있고, 지금까지 많은 회전에너지를 이용한 마찰대전 발전 소자가 소개되었다. 그러나, 이러한 회전형 에너지 수확 장치는, 두 대전 물질간의 직접적인 마찰에 의해 내구성이 약하다는 점이 단점으로 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전에너지와 물을 이용한 에너지 수확을 가능하게 하여 내구성과 활용성을 높일 수 있게 하는 회전형 에너지 수확 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 회전형 에너지 수확 장치는, 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 내측에 수용되는 물과의 접촉 및 분리에 따라 대전이 이루어지게 되는 복수의 메인 대전부들; 및 상기 메인 대전부들과 물 간의 전기적 평형 상태를 깨뜨림으로써 전자의 이동이 가능해 지도록, 상기 메인 대전부들 중 인접한 요소들 사이사이에 배치되고 상기 메인 대전부들과 함께 회전이 이루어지게 되는 복수의 비대전부들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 메인 대전부와 물 간의 마찰 대전에 의한 전자의 이동이 가능하도록, 상기 비대전부들 사이사이에 마련되고, 상기 각 메인 대전부에 접촉된 상태로 결합되는 메인 전극부;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 메인 대전부들에 더하여 마찰대전에 의한 에너지 수확 효율을 높이기 위해 마련되는 것으로, 상기 비대전부와 함께 회전되는 과정에서 상기 비대전부의 외부에서 공급되는 물과 반복적인 접촉 및 분리가 이루어지도록, 상기 각 비대전부의 외부로 노출된 면에 마련되는 복수의 수차형 대전부들;을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은, 상기 메인 대전부와 비대전부의 외면을 감싸는 형태로 배치됨으로써 상기 비대전부와의 사이에 물이 수용될 수 있는 환형공간을 형성시키고 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되는 복수의 외통형 대전부들; 및 상기 외통형 대전부들 중 인접한 요소들 사이에 배치되는 외통형 비대전부들;을 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.
상기 메인 대전부는, 상기 물과의 접촉면적이 커지도록, 적어도 하나의 내경이 다른 단차진 형상을 가지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성을 본 발명에 의한 회전형 에너지 수확 장치는, 메인 대전부와 비대전부로 이루어진 원통형의 회전 유닛이 물에 대하여 상대회전을 하는 과정에서 그 메인 대전부와 물 간의 마찰대전에 의해 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 종래의 대전 물질 간의 접촉에 따른 내구성 저하로 인한 문제점을 해결함으로써 제품을 오랫동안 사용할 수 있게 하는 장점과, 주변에서 쉽게 입수할 수 있는 물과 통 형상의 구조물의 활용으로 마찰대전을 이용한 에너지 수확의 활용성을 높여 결국 에너지 수확 효율을 극대화시킬 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 사용상태가 반영된 단면도.
도 3은 본 발명 일실시예의 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 단면도
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예의 도 7에 대응되는 단면도.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 사시도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예의 도 9에 대응되는 사시도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 구조 및 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 단면도.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 사용상태가 반영된 단면도이며, 도 3은 본 발명 일실시예의 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 수확 장치는, 회전에너지라는 대표적인 기계에너지와 주변에서 쉽게 입수할 수 있는 물을 이용한 것으로, 원주방향을 따라 교번하여 배치되는 메인 대전부(11)들과 비대전부(12)들을 포함하여 이루어진다.
상기 메인 대전부(11)들은, 각각 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 내측에 수용되는 물과의 접촉 및 분리에 따라 대전이 이루어질 수 있도록, (+)로 대전되기 쉬운 물질 또는 (-)로 대전되기 쉬운 물질 등으로 다양하게 구현이 가능한다. 본 실시예에서 상기 메인 대전부는(11)는, 그 내측 공간(A)에 수용되는 물이 (+)전하를 띠기 때문에, (-)전하로 대전되기 쉬운 물질이 도포, 코팅 또는 접착 등의 방식으로 형성되도록 구성되었다.
여기서, (+)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, 금속 등이 있고, (-)로 대전되기 쉬운 물질에는 폴리머, PDMS, Teflon 등이 있으며, 마찰대전이란 서로 다른 재료를 마찰할 때 접촉면에서의 상호 간섭에 의해 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘는 것을 의미한다. 전기적 극성(대전성)이 서로 반대인 물질을 마찰시킬수록 마찰대전 효과가 더 잘 일어난다.
(-)로 대전되기 쉬운 PDMS에 micro/nano구조를 형성시키기 위해서는 nanohole구조를 지닌 양극산화 알루미늄에 HDFS코팅을 한 뒤, PDMS을 바르고 건조시킨 후 떼어내면 nanowire구조를 지닌 PDMS를 얻을 수 있다. 또한 sandblasting을통해 micro구조를 형성시킨 알루미늄을 양극산화한 뒤, PDMS로 복제하면 micro구조와 nano구조가 동시에 있는 PDMS를 얻을 수 있다.
이와 같이, 마찰대전 물질로 (+) 또는 (-)로 대전되기 쉬운 고분자 재료를 사용하고, 이 표면 위에 나노와이어 등의 나노구조를 생성시켜 같은 면적대비 접촉면적을 극대화시킴으로써, 에너지 수확 효율을 높일 수 있게 된다.
상기 비대전부(12)들은, 각각 상기 메인 대전부(11)들 중 인접한 요소들 사이사이에 배치되고, 그 메인 대전부(11)들과 함께 회전이 이루어지게 된다. 이러한 비대전부(12)는, 상기 메인 대전부(11)들과 물 간의 전기적 평형 상태를 깨뜨림으로써 전자의 이동이 가능하게 하는 역할을 한다.
즉, 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 기본적인 원리를 설명하면, (+)로 대전되어 있는 물방울이 떨어져 (-) 대전 물질로 이루어진 메인 대전부(11)에 닿게 되면(도 3의 a), 대전 물질과 전극이 이루고 있던 전기적 평형이 깨지게 되어 그라운드로부터 전극으로 전자가 흐르게 된다(도 3의 b). 이후 평형 상태를 유지하다가 물방울이 대전 물질로부터 떨어지게 되면(도 3의 c), 다시 전자와 대전 물질 사이의 전기적 평형상태가 깨지게 되어 전자가 그라운드로 흐르게 된다(도 3의 d). 이러한 일련의 과정을 반복하면서 에너지 수확 장치에서는 교류형태의 전류가 발생하게 되는 것이다.
여기서, 도 3에 도시되어 있는 전극은, 본 실시예에 채용된 메인 전극부(13)와 동일한 기능을 발휘하는 것이다. 상기 메인 전극부(13)는, 상기 비대전부(12)들 사이사이에 위치하고 각 메인 대전부(11)에 접촉된 상태로 결합됨으로써, 상기 메인 대전부(11)와 물 간의 마찰 대전에 의해 생성되는 전자의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다.
상술한 바와 같은 구성을 본 발명에 의한 회전형 에너지 수확 장치는, 상기 메인 대전부(11)와 비대전부(12)로 이루어진 원통형의 회전 유닛이 물에 대하여 상대회전을 하는 과정에서 그 메인 대전부(11)와 물 간의 마찰대전에 의해 에너지 수확이 가능하게 됨에 따라, 종래의 대전 물질 간의 접촉에 따른 내구성 저하로 인한 문제점을 해결함은 물론, 주변에서 쉽게 입수할 수 있는 물과 통 형상의 구조물의 활용으로 마찰대전을 이용한 에너지 수확의 활용성을 높여 결국 에너지 수확 효율을 극대화시킬 수 있는 장점을 도출한다.
한편, 상기 메인 대전부(11)와 비대전부(12)의 내측에 형성된 공간(A)은, 한 쌍의 커버에 의해 폐쇄되는 구조를 가지나, 본 실시예에서는 설명의 편의상 한 쌍의 커버에 관한 도면은 생략되었다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도이다.
이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예의 구성에 더하여, 각 비대전부(22)의 외부로 노출된 면에 마련되는 복수의 수차형 대전부(24)들을 더 포함하여 이루어진다.
상기 각 수차형 대전부(24)는, 상기 비대전부(22)와 함께 회전되는 과정에서 비대전부(22)의 외부에서 공급되는 물과 반복적인 접촉 및 분리가 이루어짐으로써, 메인 대전부(21)들과 함께 마찰대전에 의한 에너지 수확 효율을 더욱 높일 수 있게 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도이다.
이 도면에 도시된 실시예는, 메인 대전부(31)와 비대전부(33)로 이루어진 원통형 회전 유닛의 외면을 감싸는 외통형 대전부(41)들과 외통형 비대전부(43)들을 포함하여 이루어진다.
상기 각 외통형 대전부(41)와 외통형 비대전부(43)는, 상기 비대전부(33)와의 사이에 물이 수용될 수 있는 환형공간(B)을 형성시키고, 원주방향을 따라 간격을 두고 서로 교번하여 배열된다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 메인 대전부(31)와 물 간의 마찰대전에 더하여, 상기 환형공간(B)에 수용된 물과 외통형 대전부(41) 간의 마찰대전이 추가적으로 발생하게 됨에 따라, 에너지 수확 효율을 더욱 높일 수 있는 장점을 가진다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 단면도이고, 도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 메인 대전부(51)와 비대전부(52)는, 각각 적어도 하나의 내경이 다른 단차진 형상을 가짐으로써, 물과의 접촉면적을 더욱 크게 할 수 있는 구조를 가진다.
즉, 본 실시예의 비교예로, 예컨대 메인 대전부와 비대전부가 단차진 형상 없이 동일한 두께를 갖는 구조인 경우에는, 그 내경 사이에 수용됨 물과 내경을 형성하는 내주면 간의 마찰대전 만이 발생하게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 메인 대전부(51)의 내주면 뿐만 아니라 단차를 형성하는 면에서도 물과의 마찰대전이 이루어지게 된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 물과 접촉되는 접촉면적을 더욱 크게 할 수 있어서 더 큰 에너지 수확 효율이 기대된다.
도면 중 미설명부호 53은, 상기 메인 대전부(51)와 물 간의 마찰 대전에 의해 생성되는 전자의 이동을 가능하게 하는 전극부이다.
본 실시예에서와 같이 메인 대전부(51)를, 물과의 접촉면적이 크도록 다양하게 설계할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 메인 대전부를 복수의 단차부를 갖도록 설계(도 8의 a 및 도 8의 b)하거나 물이 추가로 수용될 수 있는 유로(도 8의 c)를 갖도록 설계하는 것을 통해 에너지 수확 효율을 더욱 높일 수 있는 것이다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전형 에너지 수확 장치의 사시도이다.
이 도면에 도시된 실시예는, 메인 대전부(71)와 비대전부(73)로 이루어지는 회전 유닛(7)이, 그 회전 유닛(7)의 회전 중심축선을 따라 복수개 배열된 구조를 가진다. 상기 회전 유닛(7)들 중 인접한 요소들 사이사이에는 연결용 스페이스(S)가 배치된다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는 복수의 회전 유닛(S)을 배열하여 물과 대전 물질 간의 접촉면적을 크게 확보할 수 있게 한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예의 도 9에 대응되는 사시도이다.
이 도면에 도시된 실시예는, 메인 대전부(81)와 비대전부(83)로 이루어진 회전 유닛(8)들 중 인접한 요소들에 마련된 각 메인 대전부(81)(81')(81")가, 서로 다른 각도로 배열됨으로써, 메인 대전부(81)와 물 간의 접촉면적을 극대화시킬 수 있게 한다.
즉, N 개의 회전 유닛(8)의 배열시, 360도를 N으로 나눈 각도로 복수의 회전 유닛(8)을 배열시키게 되면, 모든 360도 범위에서 물과 대전 물질이 접촉이 이루어지게 됨에 따라, 에너지 수확 효율의 극대화를 도모할 수 있는 것이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 구조 및 에너지 수확 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
본 실시예는, 앞에서 설명한 실시예들이 하나의 전극(single electrode)으로 이루어지는 것과는 달리, 서로 전기적으로 연결되는 제1전극과 제2전극을 포함하여 이루어진다.
이러한 구조의 회전형 에너지 수확 장치는, 도 11의 (a) ~ (c)의 일련의 과정을 거치며 제1전극(91)과 제2전극(92) 간의 전기적 평형이, 회전에 따른 물과의 접촉에 의해 깨지게 되어, 상기 제2전극(92)은 제1전극(91)으로부터 전자를 공급받게 되고, 이로 인해 전류가 제2전극(92)에서 제1전극(91)으로 흐르게 된다.
회전이 지속되어 (d) ~ (f)의 과정을 거칠 때에는 제1전극(91)은 제2전극(92)으로부터 전자를 공급받고, 이로 인해 전류가 제1전극(91)에서 제2전극(92)으로 흐르게 된다. 이와 같이, 한 번의 회전을 하는 과정에서 서로 다른 방향의 전류가 흐르게 됨에 따라 교류파가 형성되는 것이다.
이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.
11:메인 대전부 12:비대전부
13:전극부 A:공간

Claims (8)

  1. 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되고, 내측에 수용되는 물과의 접촉 및 분리에 따라 대전이 이루어지게 되는 복수의 메인 대전부들; 및
    상기 메인 대전부들과 물 간의 전기적 평형 상태를 깨뜨림으로써 전자의 이동이 가능해 지도록, 상기 메인 대전부들 중 인접한 요소들 사이사이에 배치되고 상기 메인 대전부들과 함께 회전이 이루어지게 되는 복수의 비대전부들;을 포함하여 이루어지고,
    상기 메인 대전부와 비대전부의 외면을 감싸는 형태로 배치됨으로써 상기 비대전부와의 사이에 물이 수용될 수 있는 환형공간을 형성시키고 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되는 복수의 외통형 대전부들; 및
    상기 외통형 대전부들 중 인접한 요소들 사이에 배치되는 외통형 비대전부들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 대전부와 물 간의 마찰 대전에 의한 전자의 이동이 가능하도록, 상기 비대전부들 사이사이에 마련되고, 상기 각 메인 대전부에 접촉된 상태로 결합되는 메인 전극부;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 대전부들에 더하여 마찰대전에 의한 에너지 수확 효율을 높이기 위해 마련되는 것으로, 상기 비대전부와 함께 회전되는 과정에서 상기 비대전부의 외부에서 공급되는 물과 반복적인 접촉 및 분리가 이루어지도록, 상기 각 비대전부의 외부로 노출된 면에 마련되는 복수의 수차형 대전부들;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인 대전부는, 상기 물과의 접촉면적이 커지도록, 적어도 하나의 내경이 다른 단차진 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
  6. 제1항의 메인 대전부와 비대전부로 이루어지는 회전 유닛을 포함하여 이루어지고,
    상기 회전 유닛은, 그 회전 유닛의 중심축선 방향을 따라 복수개 배열되어 있고,
    상기 회전 유닛들 중 인접한 요소들 사이사이에 배치되는 연결용 스페이서;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 메인 대전부와 물 간의 접촉면적이 더욱 커지도록, 상기 회전 유닛들 중 인접한 요소들에 마련된 각 메인 대전부는 서로 다른 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는 회전형 에너지 수확 장치.
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