KR101791793B1 - 도로용 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

도로용 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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홍성광
강우중
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Abstract

도로 및 압전 소자의 내구성을 유지하면서 발전 효율을 높일 수 있는 도로용 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 도로용 에너지 하베스팅 장치는 상부가 개방된 하우징; 상기 상부와 탄성체로 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부; 일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트; 및 상기 압전소자 또는 상기 플레이트와 접촉 상태를 유지하며, 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이는 막대부를 포함한다.

Description

도로용 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS FOR ROAD}
본 발명은 도로용 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도로 및 압전 소자의 내구성을 유지하면서 발전 효율을 높일 수 있는 도로용 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스트는 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하는데, 이러한 에너지 하베스트는 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소자를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전 소자에 기반한 에너지 하베스팅 기술을 이용하는 다양한 어플리케이션에 관한 연구가 이루어지고 있으며, 그 중 하나로 도로용 에너지 하베스팅 장치가 있다.
도로용 에너지 하베스팅 장치는 도로를 주행하는 차량에 의해 발생하는 진동을 에너지로 변환하는 장치인데, 도로 하부에 설치된다. 차량에 의해 발생하는 진동이 압전 소자를 진동시킴으로써 발전이 이루어진다. 이러한 방식의 도로용 에너지 하베스팅 장치는 내구성이 높고, 도로의 파손을 방지하지만 발전량이 굉장히 낮다는 단점이 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 공개특허 제2016-0040089호, 대한민국 등록특허 제10-1210431호가 있다.
본 발명은 도로 및 압전 소자의 내구성을 유지하면서 발전 효율을 높일 수 있는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부가 개방된 하우징; 상기 상부와 탄성체로 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부; 일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트; 및 상기 압전소자 또는 상기 플레이트와 접촉 상태를 유지하며, 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이는 막대부를 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상부가 개방된 하우징; 상기 상부와 탄성체로 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부; 일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트; 상기 플레이트 양단을 고정시키는 고정부; 상기 압전소자 또는 상기 플레이트와 접촉 상태를 유지하며, 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이는 막대부를 포함하며, 상기 막대부는 상기 진동 전달부로부터 수직 방향으로 연장된 연장부재로부터 돌출되어 형성된 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상부가 개방된 하우징; 상기 상부와 이격된 상태로 탄성체에 의해 상기 하우징과 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부; 일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트; 및 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이며, 상기 압전소자 또는 상기 플레이트의 중앙 영역에 압력을 인가하는 막대부를 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 플레이트가 아닌 압전 소자 또는 압전 소자가 위치한 플레이트의 반대면에 직접 압력을 인가함으로써, 압전 소자의 휘어지는 변위가 증가하여 발전량이 높아질 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 도로의 진동을 전달하는 진동 전달부의 이동 변위를 제한함으로써, 도로 및 압전 소자의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도로용 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 사시도이다.
도 5는 도 4의 도로용 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 막대부를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도로용 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는, 도로 아래에 매설되어 사용될 수 있으며, 하우징(110), 진동 전달부(120), 플레이트(130) 및 막대부(140)를 포함한다.
하우징(110)은 상부가 개방된 형태이며, 하우징(110) 내부에 플레이트(130)가 마련된다. 하우징(110)은 플레이트(130)를 수용할 수 있도록 내부 공간이 마련된 형상으로서, 예를 들어 정육면체, 직육면체 또는 원통형 등일 수 있다.
플레이트(130)는 하우징(110)의 양벽에 고정되며, 외부 압력에 휘어질 수 있는 금속 재질로서, 일자 형상의 평판일 수 있다.
하우징(110)의 상부, 보다 구체적으로 하우징(110)을 구성하는 벽의 상부에는 탄성체(111, 112)가 위치하며, 탄성체(111, 112)는 진동 전달부(120)와 연결된다. 도 1에는 탄성체(111, 112)의 일예로서 스프링이 도시되나, 스프링 외에 탄성력을 가지는 물체라면 탄성체로 이용될 수 있다.
진동 전달부(120)는 하우징(110)의 상부와 이격된 상태로 탄성체(111, 112)에 의해 연결된다. 진동 전달부(120)는 자동차 하중에 의한 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는데, 도로에 매설된 도로용 에너지 하베스팅 장치 위에 차량이 위치할 경우 진동 전달부(120)는 아래 방향으로 움직인다. 그리고 차량이 도로용 에너지 하베스팅 장치를 벗어나면, 진동 전달부(120)는 탄성체(111, 112)에 복원력에 의해 위 방향으로 움직인다.
이러한 진동 전달부(120)의 상하 움직임에 따라서 막대부(140)도 상하로 움직인다. 막대부(140)는 진동 전달부(120)로부터 연장되며, 압전 소자(131) 또는 플레이트(130)와 접촉 상태를 유지한다. 즉, 막대부(140)는 최초 위치에서 압전 소자(131) 또는 플레이트(130)와 접촉 상태를 유지하고 있기 때문에, 막대부(140)가 상하로 움직일 경우에도 압전 소자(131) 또는 플레이트(130)와 접촉한 상태로 상하로 움직인다.
도 1에 도시된 바와 같이, 압전 소자(131)가 플레이트(130)의 상면에 구비될 경우, 막대부(140)는 압전 소자(131)와 접촉 상태를 유지한다. 그리고 압전 소자(131)가 플레이트(130)의 하면에 구비될 경우, 막대부(140)는 플레이트(130)와 접촉 상태를 유지한다.
본 발명에 따르면, 막대부(140)가 플레이트가 아닌 압전 소자 또는 압전 소자가 위치한 플레이트의 반대면에 직접 압력을 인가함으로써, 압전 소자의 휘어지는 변위가 증가하여 발전량이 높아질 수 있다.
도 2를 참조하며 자세히 설명하면, 도 2(a)는 기존의 캔틸레버 타입의 발전 방식을 나타내며, 도 2(b)는 본 발명에 따른 발전 방식을 나타낸다. 그리고 도 2에서 화살표는 압력이 가해지는 위치 및 방향을 나타낸다. 도 2(a)의 경우 압력이 플레이트 일단에 인가되는 반면, 도 2(b)의 경우 압전 소자에 직접 압력이 인가된다. 도 2(a)의 경우, 압력이 인가되는 지점과 압전 소자가 멀리 떨어져 있기 때문에, 도 2(a)의 경우보다 도 2(b)의 경우에 압전 소자의 휘어지는 변위, 즉 휘어지는 정도가 더 큼을 직관적으로 알 수 있다. 따라서 도 2(a)의 경우보다 도 2(b)의 경우에 발전량이 더 높다.
그리고 발전량을 더욱 높이기 위해 막대부(140)는 압전 소자(131) 또는 플레이트(130)의 중앙 영역에서 접촉 상태를 유지하며 상하로 움직이는 것이 바람직하다. 막대부(140)가 압전 소자(131) 또는 플레이트(130)의 중앙 지점에 가깝게 압력을 인가할수록 압전 소자(131)의 휘어지는 변위가 커지며 발전량이 증가할 수 있다. 중앙 영역은 압전 소자 또는 플레이트의 중앙 지점 또는 중앙 지점으로부터 기 설정된 거리 내의 영역일 수 있다.
한편, 본 발명은 전술된 바와 같이, 압전 소자에 직접 압력을 인가하며, 진동 전달부(120)가 상하로 이동하면서, 도로 역시 상하로 이동할 수 있기 때문에, 압전 소자 및 도로의 내구성을 향상시킬 필요가 있다. 본 발명은 압전 소자 및 도로의 내구성을 향상시키기 위해 진동 전달부(120)의 이동 변위를 제한한다.
진동 전달부(120)의 이동 변위는 진동 전달부(120)와 하우징(110)의 이격 거리에 의해 제한될 수 있다. 즉, 차량 하중에 의해 진동 전달부(120)가 아래로 이동하더라도, 최대 이동 거리는 진동 전달부(120)와 하우징(110)의 이격 거리이다.
진동 전달부(120)와 하우징(110) 사이의 거리는 도로의 탄성력에 따라 결정될 수 있다. 도로의 탄성력이 작을수록 진동 전달부(120)와 하우징(110) 사이의 거리가 작도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 압전 소자가 결합된 형태로 사용될 수 있다. 이 때, 도로용 에너지 하베스팅 장치는 도 3과 같이 일체형이거나, 또는 각각의 도로용 에너지 하베스팅 장치가 결합된 형태일 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 사시도로서, 도로용 에너지 하베스팅 장치의 내부 모습을 나타내기 위해 하우징의 일부 벽이 제거된 상태로 도시되어 있다. 도 5는 도 4의 도로용 에너지 하베스팅 장치의 단면도로서, 도 4와 같이, 하우징의 일부 벽이 제거된 상태로 도시되어 있다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 막대부를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5의 도로용 에너지 하베스팅 장치는 도 1 및 도 3의 도로용 에너지 하베스팅 장치와 비교하여 장치당 발전량을 더욱 높이기 위해 횡방향뿐만 아니라 종방향으로도 배치된 압전 소자를 포함한다. 그리고 종방향으로 배치된 압전 소자에 동시에 압력을 인가하기 위해, 막대부는 진동 전달부로부터 수직 방향으로 연장된 연장 부재로부터 돌출되어 형성된다.
도 4 및 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는 하우징(410), 진동 전달부(420), 플레이트(430), 고정부(440) 및 막대부(450)를 포함한다.
하우징(410)은 상부가 개방된 형태로서, 진동 전달부(420)는 하우징(410)의 상부와 탄성체(411)로 연결된다. 진동 전달부(420)는 하우징(410)과 기 설정된 거리만큼 이격된 상태로, 탄성체(411)에 의해 도로의 진동에 따라 상하로 움직인다. 진동 전달부(420)는 이동 변위는 하우징(410)과의 이격 거리에 의해 제한된다.
플레이트(430)는 하우징(410) 내부에 마련되며 일면에 압전 소자(431)를 구비한다. 도 4에는 압전 소자(431)가 플레이트(430)의 상면에 형성되어 있으나 플레이트(430)의 하면에 형성될 수도 있다.
고정부(440)는 플레이트(430) 양단을 고정시켜, 플레이트(430)를 하우징(410) 내부에 고정시킨다. 고정핀이나 접착제 등에 의해 플레이트(430)와 고정부(440)가 결합됨으로써, 플레이트(430)가 하우징(410) 내부에 고정될 수 있다.
막대부(450)는 압전 소자(431) 또는 플레이트(430)와 접촉 상태를 유지하며, 진동 전달부(420)의 움직임에 따라 상하로 움직이는데, 막대부(450)는 연장 부재(421)로부터 돌출된 돌출부(451) 및 돌출부(451)에서 제1방향으로 연장된 제1막대(452)를 포함한다. 제1막대(452)의 개수는 플레이트(430)의 개수에 대응된다.
연장 부재(421)에 복수개의 돌출부(451)를 형성함으로써, 레이어 형태로 배치된 압전 소자(431)로 압력을 인가할 수 있으며, 돌출부(451)에 복수개의 제1막대(452)를 형성함으로써, 동일 레이어에 복수의 압전 소자를 배치하여 압전 소자로 압력을 인가할 수 있다. 도로용 에너지 하베스팅 장치에 압전 소자를 레이어 형태로 배치하고 하나의 레이어에 복수의 압전 소자를 평행하게 배치함으로써, 장치당 발전량이 더욱 높아질 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 막대부(450)는 돌출부에서 제2방향으로 연장된 제2막대(453)를 더 포함할 수 있다. 제2방향은 제1방향과 다른 방향으로서, 제1방향과 반대 방향일 수 있다. 제2막대(453)는 제1막대(452)와 단면 면적이 다르며, 또는 길이가 다를 수 있다. 일예로서, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 제1막대(452)의 단면적이 제2막대(453)의 단면적보다 클 수 있으며, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제1막대(452)의 길이가 제2막대(453)의 길이보다 길 수 있다.
제1막대(452) 및 제2막대(453)의 단면 면적의 차이에 따라 발전량에 차이가 발생하며 압전 소자의 내구성에 미치는 영향도 달라질 수 있다. 또한 제1막대(452) 및 제2막대(453)의 길이의 차이에 따라 발전량에 차이가 발생하며 압전 소자의 내구성에 미치는 영향도 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는 돌출부를 회전시키는 액츄에이터를 더 포함할 수 있으며, 돌출부를 회전시켜, 제1막대(452) 및 제2막대(453) 중 하나가 압전 소자로 압력을 인가하도록 제어할 수 있다.
일예로서, 특정 시간대에 차량의 통행량이 매우 많아 압전 소자의 내구성에 문제가 발생할 가능성이 높은 경우, 본 발명은 특정 시간대에 제1막대(452) 대신 제2막대(453)를 이용하여 발전을 수행한다. 제2막대(453)는 제1막대(452)보다 짧기 때문에, 진동 전달부로 차량의 하중이 가해지기 전 상태에서 압전 소자와 접촉하지 않는다. 따라서 제1막대(452)와 제2막대(453)의 길이 차이만큼 압전 소자가 휘는 변위가 작아지며 결국 압전 소자의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 도로용 하베스팅 장치에 의해 생산된 전기는, 도로 근처 가구, 도로 주변 시설(가로등, 휴게소) 뿐만 아니라, 스마트 하이웨이 등을 위한 전력원으로 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 상부가 개방된 하우징;
    상기 상부와 탄성체로 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부;
    일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트;
    상기 플레이트 양단을 고정시키는 고정부;
    상기 압전소자 또는 상기 플레이트와 접촉 상태를 유지하며, 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이는 막대부를 포함하며,
    상기 막대부는
    상기 진동 전달부로부터 수직 방향으로 연장된 연장부재로부터 돌출되어 형성된 돌출부;
    상기 돌출부에서 제1방향으로 연장된 제1막대; 및
    상기 돌출부에서 제2방향으로 연장된 제2막대를 포함하며,
    상기 제1막대 및 제2막대의 단면 면적은 서로 다르고,
    상기 돌출부는 액츄에이터에 의해 회전되는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  7. 상부가 개방된 하우징;
    상기 상부와 탄성체로 연결되며, 도로의 진동에 따라 상하로 움직이는 진동 전달부;
    일면에 압전소자를 구비하며, 상기 하우징 내부에 마련된 플레이트;
    상기 플레이트 양단을 고정시키는 고정부;
    상기 압전소자 또는 상기 플레이트와 접촉 상태를 유지하며, 상기 진동 전달부의 움직임에 따라 상하로 움직이는 막대부를 포함하며,
    상기 막대부는
    상기 진동 전달부로부터 수직 방향으로 연장된 연장부재로부터 돌출되어 형성된 돌출부;
    상기 돌출부에서 제1방향으로 연장된 제1막대; 및
    상기 돌출부에서 제2방향으로 연장된 제2막대를 포함하며,
    상기 제1막대 및 제2막대의 길이는 서로 다르고,
    상기 돌출부는 액츄에이터에 의해 회전되는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
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  9. 삭제
  10. 삭제
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