KR101857579B1 - 톨게이트용 에너지 하베스터시스템 - Google Patents

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김기훈
정해문
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Abstract

톨게이트용 에너지 하베스터시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 톨게이트용 에너지 하베스터시스템은, 톨게이트 진출입 도로상에 포설되어 차량의 통과에 따른 기계적 힘에 의해 변형되며 전기를 생성하는 지면하베스터; 톨게이트 건축물의 지붕에 설치되어 태양광에 의해 전기를 생성하는 지상하베스터; 및 상기 지면하베스터 및 상기 지상하베스터와 각각 연결된 상태에서 생성된 전기를 충전가능한 형태로 변환시켜 충전하고 톨게이트 부하단에 가용되는 형태로 전기를 공급하는 충전제어반을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 차량 통과에 따른 기계적 힘을 활용하여 전기를 생성하는 지면하베스터와 태양광을 활용하여 전기를 생성하는 지상하베스터의 융합으로 인해 톨게이트 주변에서 얻어질 수 있는 미활용 에너지가 복합적, 다면적으로 활용될 수 있게 됨에 따라 발전효율의 향상이 친환경적으로 이루어질 수 있고, 이로 인해 외부로부터 별도의 전기공급 없이도 톨케이트 부하단이 자율운용될 수 있으며, 시스템을 이루는 구성의 간소화를 통해 시스템구축의 용이성, 장기간 운용가능한 내구성 및 유지관리의 용이성이 도모될 수 있는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템을 제공할 수 있게 된다.

Description

톨게이트용 에너지 하베스터시스템{ENERGY HARVESTER SYSTEM FOR TOLLGATE}
본 발명은 톨게이트용 에너지 하베스터시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 외부로부터 별도의 전기공급 없이 톨게이트 주변에서 이용가능한 미활용 에너지를 활용하여 톨케이트 부하단을 자율운용할 수 있는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템에 관한 것이다.
화석에너지의 고갈과 그 사용에 따른 환경오염이 이슈화되면서 근래에는 친환경적이고 고갈의 위험 없이 이용할 수 있는 새로운 대체에너지의 개발과 에너지 순환시 효과적인 에너지보존이 이루어질 수 있는 다양한 방식과 장치가 활발하게 개발되고 있는 실정이다.
대표적으로 중점 개발되고 있는 대체 에너지로는 태양광을 이용한 전기발생장치가 있는데, 이 장치는 태양광을 직접 수광하여 전기를 발생시키는 태양전지(Solar cell array)와, 발생된 전기를 균일하게 유지해주는 정전압회로와, 균일하게 유지된 전기를 저장하는 축전지로 이루어져 다른 대체 에너지보다 비교적 폭넓게 실생활에 사용되고 있다.
하지만, 이러한 태양전지는 제조에 고비용이 소요되고, 태양광을 집적시키는 기술이 아직 미비하여 주전원으로 사용되지 못하고 단지 보조적인 역할만을 수행하는 수준에 불과한 실정이다.
이외에도, 조력과 풍력, 수력을 이용한 에너지 발생장치가 있는데, 이들은 적용지역에 대한 제한이 심하고 초기시설투자에 고비용이 소요됨은 물론, 이를 통해 생성되는 전기의 양 또한 폭넓은 전기수요를 충족시킬 수준에 이르지 못하여 보조적인 전원으로만 활용가능한 상황이다.
이상에서 살펴본 대체 에너지와 관련된 기술 중에서 대한민국등록특허 제10-1346295호(공고일자 2013년12월31일)는, 차량 하중을 이용한 에너지 하베스트 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다. 본 선행기술은, 제1 돌기부내에 위치되는 제1 크랭크부의 제1 헤드와 제1 돌기부와 인접한 제2 돌기부내에 위치되는 제2 크랭크부의 제2 헤드가 차량의 바퀴에 의해 눌리면서 발전기를 회전시키는 구조로 이루어져 전기를 생성하게 되는데, 이러한 선행기술은 간단한 구조로 차량의 하중을 활용하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있다는 점에서 종래와 차별화되는 이점이 있다.
그러나 이러한 선행기술에서 제시하는 에너지 하베스트 시스템은, 다음과 같은 점에서 여전히 개선이 요구되며, 꾸준한 개량이 이루어질 필요가 있다.
예컨대, 간단한 구조로 이루어졌다고 기술하고 있으나, 제1 크랭크부와 거의 유사한 구조로 된 제2 크랭크부는 각각 다수의 부품들이 서로 결합된 상태에서 상호 연동하여 작동하는 관계상, 차량 하중이 반복적으로 장시간 작용할 경우, 부품 간 결합부에 충격하중이 집중될 수 있어 파손이나 망실이 쉽게 발생될 개연성이 큰 문제가 있다.
또한, 제1 크랭크부와 제2 크랭크부의 기계적 작동만으로 발전기를 회전시켜 전기를 생성하는 기술은, 차량의 통행과 관련한 미활용 에너지를 복합적으로 활용하는 것이 아니라 단순히 차량의 하중만을 전적으로 이용한 것에 불과하여, 발전효율이 미약할 수 밖에 없다는 문제가 있다.
대한민국등록특허 제10-1346295호(공고일자 2013년12월31일)
본 발명의 목적은, 고속도로 톨게이트 주변과 이를 통행하는 차량으로부터 얻어질 수 있는 미활용 에너지를 일차원적으로 활용하는 것이 아니라 복합적, 다면적으로 활용하여 발전효율의 향상을 친환경적으로 이끌어낼 수 있고, 내구성과 유지관리의 용이성을 담보할 수 있는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 톨게이트 진출입 도로상에 포설되어 차량의 통과에 따른 기계적 힘에 의해 변형되며 전기를 생성하는 지면하베스터; 톨게이트 건축물의 지붕에 설치되어 태양광에 의해 전기를 생성하는 지상하베스터; 및 상기 지면하베스터 및 상기 지상하베스터와 각각 연결된 상태에서 생성된 전기를 충전가능한 형태로 변환시켜 충전하고 톨게이트 부하단에 가용되는 형태로 전기를 공급하는 충전제어반을 포함하는 것을 특징으로 하는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템에 의해 달성된다.
상기 지면하베스터는, 톨게이트를 기준으로 소정길이의 진출입 도로상에서 10m 내지 20m의 간격을 두고 이격형성되는 다수 개의 제1 압전대로 이루어지고, 상기 제1 압전대는, 진출입방향의 직각방향을 따라 다수 개의 장착홈이 이격되며 함몰형성된 바닥슬래브; 상기 장착홈에 설치된 상태에서 상단부를 통과하는 차량에 의해 가해지는 기계적 충격으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 다수 개의 충격식압전모듈; 및 상기 바닥슬래브와 상기 충격식압전모듈의 상단부를 덮는 상판부재를 포함할 수 있다.
상기 상판부재의 상면에는, 상기 충격식압전모듈에 대응하는 위치에서 상방으로 돌출형성된 요철부가 더 형성되고, 상기 장착홈의 바닥면과 상기 충격식압전모듈 사이에는, 상기 충격식압전모듈에 가해지는 충격을 완화하는 지지부재가 더 구비될 수 있다.
상기 제1 압전대는, 상기 상판부재와 면접촉하는 상기 바닥슬래브의 상면에 다수 개의 설치홈이 형성되고, 상기 설치홈 내에 설치된 상태에서 상기 상판부재 위를 통과하는 차량으로부터 전달되는 기계적 진동으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 다수 개의 캔틸레버형 진동식압전모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 지면하베스터는, 톨게이트를 기준으로 소정길이의 진출입 도로상에서 차량 바퀴의 좌우 폭에 대응하도록 이격된 상태에서 도로의 길이방향을 따라 형성되는 2개의 제2 압전대로 이루어지고, 상기 제2 압전대는, 진출입방향을 따라 다수 개의 장착홈이 이격되며 함몰형성된 바닥슬래브; 상기 장착홈에 설치된 상태에서 상단부를 통과하는 차량에 의해 가해지는 기계적 충격으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 다수 개의 충격식압전모듈; 및 상기 바닥슬래브와 상기 충격식압전모듈의 상단부를 덮는 상판부재를 포함할 수 있다.
상기 상판부재의 상면에는, 상기 충격식압전모듈에 대응하는 위치에서 상방으로 돌출형성된 요철부가 더 형성되고, 상기 장착홈의 바닥면과 상기 충격식압전모듈 사이에는, 상기 충격식압전모듈에 가해지는 충격을 완화하는 지지부재가 더 구비될 수 있다.
상기 충전제어반은, 외부 상용전원을 제공받는 배전반과 연결되어, 생성된 전기 중 잉여분을 상기 배전반을 통해 외부에 제공하고, 부족분을 상기 배전반을 통해 외부 상용전원으로 대체하는 절환작동을 할 수 있다.
상기 지상하베스터는, 상기 톨게이트 건축물의 지붕에 설치되는 다수 개의 태양광모듈로 이루어지되, 상기 태양광모듈의 테두리를 따라 바람의 세기나 풍향의 변화에 의해 흔들리며 전기를 생성하는 다수 개의 리프형 진동식압전모듈이 더 형성될 수 있다.
상기 리프형 진동식압전모듈은, 소정의 면적을 갖는 판재형상으로 이루어져 바람의 흐름에 저항하는 바람저항부재; 및 연질의 PVDF를 소재로 판상으로 제작되되, 일단부가 상기 태양광모듈의 테두리에 고정되고, 타단부는 상기 바람저항부재와 결합되어 바람의 세기나 풍향의 변화에 따라 휘어지며 전기를 생성하는 폴리머압전소자를 포함할 수 있다.
상기 톨게이트 부하단은, 톨게이트 전광판, 신호등, 가로등 및 도로 유도등 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 차량 통과에 따른 기계적 힘을 활용하여 전기를 생성하는 지면하베스터와 태양광을 활용하여 전기를 생성하는 지상하베스터의 융합으로 인해 톨게이트 주변에서 얻어질 수 있는 미활용 에너지가 복합적, 다면적으로 활용될 수 있게 됨에 따라 발전효율의 향상이 친환경적으로 이루어질 수 있고, 이로 인해 외부로부터 별도의 전기공급 없이도 톨케이트 부하단이 자율운용될 수 있으며, 시스템을 이루는 구성의 간소화를 통해 시스템구축의 용이성, 장기간 운용가능한 내구성 및 유지관리의 용이성이 도모될 수 있는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 톨게이트용 에너지 하베스터시스템의 개략적인 구조를 도시한 측면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 지면하베스터의 구조를 단계별로 확대한 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 A부분에 대한 확대도 및 측단면도이다.
도 3은 도 2a에 도시된 B부분을 확대하여 지상하베스터의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 변형예에 따른 지면하베스터의 구조를 나타낸 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 톨게이트용 에너지 하베스터시스템의 개략적인 구조를 도시한 측면도이고, 도 2a는 도 1에 도시된 지면하베스터의 구조를 단계별로 확대한 평면도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 A부분에 대한 확대도 및 측단면도이고, 도 3은 도 2a에 도시된 B부분을 확대하여 지상하베스터의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 변형예에 따른 지면하베스터의 구조를 나타낸 평면도이다.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(앞쪽), 후(뒤쪽) 등은 권리 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 또는 구성 간의 상대적인 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.
본 발명에 따른 톨게이트용 에너지 하베스터시스템(100)은, 톨게이트 주변에서 얻어질 수 있는 미활용 에너지의 복합적, 다면적 활용을 통한 발전효율의 향상과, 이로 인한 톨케이트 부하단(30)의 자율운용과, 시스템을 이루는 구성의 간소화를 통한 시스템구축의 용이성, 장기간 운용가능한 내구성 및 용이한 유지관리를 도모하기 위해 안출된 발명이다.
상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구현하기 위해 본 발명에 따른 톨게이트용 에너지 하베스터시스템(100)은, 기본적으로 도 1에 도시된 바와 같이 지면하베스터(110), 지상하베스터(120) 및 충전제어반(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는 상술한 각 구성에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
지면하베스터(110)는, 톨게이트 진출입 도로(20)상에 포설되어 도로를 통행하는 차량자체의 하중이나 차량의 통행시 지면으로 전달되는 진동으로부터 얻어질 수 있는 미활용 에너지를 수확하는 구성요소로서, 차량의 통과에 따른 기계적 힘(충격 또는 진동)을 전달받아 변형되며 전기를 발생시키는 다수의 압전모듈로 구현될 수 있다.
여기서 압전모듈이란, 기계적 힘을 전달받은 압전소재의 변형에 따른 분극변화를 통해 전기를 발생시키는 장치로서, 비교적 에너지변환이 용이하고 변환효율이 우수하며, 기후조건에 크게 영향을 받지 않아 최근 활발한 연구개발이 진행되고 있으며, 다양한 크기 및 방식으로 현재 시판중에 있다.
압전모듈의 종류로는 크게 수정, 티탄산바륨 또는 티탄산 지르콘산납(PZT)을 단층이나 다층구조로 소결한 세라믹류와, PVDF(Poly-Vinylidene Di-Fluoride)를 소재로 한 폴리머류와, 이들을 혼합한 형태의 세라믹-폴리머 복합류가 있다.
이때, 세라믹류는, 기계-전기 결합계수가 폴리머류보다 커서 에너지 변환효율이 큰 반면에 단단하여 쉽게 깨질 수 있고 작은 힘이나 진동에는 변환이 이루어지지 않는 단점이 있다.
그리고 폴리머류는, 기계-전기 결합계수가 세라믹류보다 작아 에너지 변환효율이 작지만, 연질이어서 작은 힘이나 진동에도 변환이 이루어질 수 있는 유연성을 갖는다는 점에 특징이 있다.
이러한 압전모듈의 구체적인 전기생성원리나 구조 등은 이미 상용화된 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 압전모듈로 구현되는 지면하베스터(110)는, 도 1에 도시된 바와 같은 톨게이트에 인접한 도로(20)에 다수 개의 충격식압전모듈(114)이 각각 이격배치되는 구조로 이루어질 수 있으며, 도 2a에 도시된 본 발명의 실시예에서처럼, 톨게이트(10)를 기준으로 소정길이의 진출입 도로(20)상에서 10m 내지 20m의 간격을 두고 이격형성되는 다수 개의 제1 압전대(110a)를 형성하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이때의 제1 압전대(110a)는, 충격식압전모듈(114)이 진출입방향의 직각방향으로 길게 배치된 형태로 집합되어 이루어지는 구성요소로서, 구체적으로 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 바닥슬래브(112), 충격식압전모듈(114) 및 상판부재(116) 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
바닥슬래브(112)는, 통행 차량의 하중을 견고하게 지지하고 후술할 충격식압전모듈(114)이 포설될 공간을 제공하는 구성요소로서, 대략 콘크리트 슬래브로 이루어지되 그 상면에는 진출입방향의 직각방향을 따라 다수 개의 장착홈(112a)이 이격되며 함몰형성된다.
이때, 장착홈(112a)은 진출입방향의 직각방향을 따라 도로 양단에 걸쳐 하나의 열을 이루며 다수 개가 함몰형성될 수 있음은 물론이고, 도 2a에 도시된 바와 같이 진출입방향에 대하여 다수의 열을 이루며 형성될 수도 있다.
충격식압전모듈(114)은, 다수 개로 이루어져 장착홈(112a)에 각각 설치된 상태에서 상단부를 통과하는 차량에 의해 가해지는 기계적 충격 즉, 차량의 바퀴를 통해 직접 가해지는 차량의 하중에 의해 변형되며 전기를 생성하는 구성요소이다.
본 발명의 실시예에 따른 충격식압전모듈(114)은, 도로 양단에 걸쳐 일렬로 다수 개가 함몰형성되거나 또는 도 2a에 도시된 바와 같이 진출입방향에 대하여 다수의 열을 이루며 함몰형성된 상술한 장착홈(112a)에 각각 포설되되, 차량의 하중에 의한 큰 충격에 대하여 보다 많은 양의 전기를 생성할 수 있도록, 세라믹류를 소재로 대략 가로, 세로 30cm의 판형상으로 제작할 수 있다.
이렇게 장착홈(112a)에 설치된 다수의 충격식압전모듈(114)의 변형에 따라 생성된 전기는 모두 송전케이블(132)을 통해 후술할 충전제어반(130)으로 전달된다.
상판부재(116)는, 바닥슬래브(112)와 충격식압전모듈(114)의 상단부를 덮는 구성요소로서, 하단부에 위치하는 충격식압전모듈(114)에 가해지는 충격을 완화하여 그 파손을 방지하면서도 충격력이 하부의 충격식압전모듈(114)에 원활히 전달될 수 있도록 하는 소재로 평평하게 설치될 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 무방하다.
다만, 본 발명의 실시예에 따른 상판부재(116)는, 폴리우레탄과 같이 연질의 탄성을 갖고, 기계적 강도 및 내후성이 우수하며 흡수성이 적은 엔지니어링 플라스틱으로 제작될 수 있다. 물론, 도로포장에 일반적으로 이용되는 연질의 특성이 있는 아스콘이 바닥슬래브(112)와 충격식압전모듈(114)의 상면에 포장되도록 하여 상판부재(116)를 이루도록 할 수도 있다.
이러한 실시예에 따른 상판부재(116)의 상면에는, 도 2b에서처럼 충격식압전모듈(114)에 대응하는 위치에서 상방으로 돌출형성된 반구 형상의 요철부(116a)가 더 형성될 수 있다. 위와 같은 요철부(116a)는 차량의 감속을 유도하여 톨게이트 주변에서의 안전운행을 도모함과 동시에 차량 하중에 의한 충격이 상판부재(116)의 하면과 면접촉하는 충격식압전모듈(114)에 보다 원활하고 정확하게 전달되도록 하기 위함이다. 물론, 요철부(116a)는 도시된 반구형상 이외에도 도로 진행방향에 직각방향으로 길이가 긴 막대형상의 돌기 등으로 변형될 수 있다.
또한, 도 2b(b)에 도시된 바와 같이, 장착홈(112a)의 바닥면과 충격식압전모듈(114) 사이에는 지지부재(118)가 더 구비될 수 있다. 이러한 지지부재(118)는 차량 하중에 의한 과다한 충격에 대하여 변형되면서 충격식압전모듈(114)에 가해지는 충격력을 완화해 그 파손을 방지하는 구성요소로서, 연질의 고무 또는 합성수지 등을 소재로 한 판재형상으로 제작될 수 있다.
상술한 바와 같은 제1 압전대(110a)는, 앞서 설명한 충격식압전모듈(114)과 함께 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 원격지 도로에서 제1 압전대(110a)로 접근해 오는 차량에서 발생되어 도로상의 지면을 통해 전달되는 기계적 진동으로부터 전기를 추가적으로 더 생성하기 위해 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)을 더 포함할 수 있다.
이때, 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)은, 상판부재(116)와 면접촉하는 바닥슬래브(112)의 상면에 다수 개로 형성되는 설치홈(112b) 내에 설치되어 상판부재(116) 위를 통과하는 차량으로부터 전달되는 기계적 진동에 의해 변형되며 전기를 생성하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)은, 구체적으로 캔틸레버 및 압전소자 등을 포함하여 이루어진다. 여기서 압전소자는 세라믹류, 폴리머류 또는 세라믹-폴리머 복합류를 소재로 하여 제작될 수 있다.
여기서 캔틸레버(cantilever: 외팔보)는, 일단은 고정되고 타단은 자유롭게 상하로 가변되는 들보 형태의 구조체로서, 설치홈(112b)의 바닥면과 상판부재(116)의 하면에 설치고정되는 세로방향의 고정판재와, 이와 대략 직각으로 연결된 가로방향의 떨림판재로 구성되어 전체적으로 '┝' 형태를 이루게 되며, 떨림판재의 상면 및 하면 중 적어도 어느 한쪽에는 압전소자가 결합될 수 있다.
이러한 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)의 전기 생성방식은, 차량의 운행으로 인해 발생된 진동이 도로(10)상의 지면, 상판부재(116), 고정판재 및 떨림판재의 순서로 전달된 후 떨림판재를 상하로 가변시켜 압전소자의 변형을 유도함으로써 이루어지게 된다.
설치홈(112b)에 설치된 다수의 진동식압전모듈(115, 압전소자)의 변형에 따라 생성된 전기는 모두 송전케이블(132)을 통해 후술할 충전제어반(130)으로 전달된다.
상술한 바와 같이 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)이 제1 압전대(110a)에 추가됨으로 인해, 차량의 운행으로부터 얻어질 수 있는 미활용 에너지 중 진동에너지가 추가로 더 수확될 수 있게 됨에 따라 발전효율의 향상이 도모될 수 있고, 외부로부터의 전기공급 없이도 톨케이트 부하단(30)의 자율운용이 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
지상하베스터(120)는, 톨게이트 건축물(10)의 지붕에 설치되어 태양광 및 바람으로부터 얻어질 수 있는 미활용 에너지를 수확하는 구성요소로서, 태양광에너지 및 풍력에너지를 전기로 변환하는 다수의 태양광모듈(122) 및 리프형 진동식압전모듈(124) 등으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양광모듈(122)은, 태양전지를 종횡으로 연결하여 태양광으로부터 전기에너지를 수확하는 발전장치로서, 일조시간 내내 톨게이트(10) 주변에 조사되는 미활용 에너지인 태양광에 대한 지속적인 노출이 이루어지고 충분한 발전량을 확보할 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 톨케이트 건축물(10)의 지붕 전체에 걸쳐 다수 개가 설치된다.
위와 같은 태양광모듈(122)에서 생성된 전기는 모두 송전케이블(132)을 통해 후술할 충전제어반(130)으로 전달된다. 태양광모듈(122)의 구체적인 전기생성원리나 구조 등은 이미 상용화된 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
리프형 진동식압전모듈(124)은, 톨게이트 건축물(10)의 상공을 유동하는 미활용 에너지인 바람으로부터 전기를 추가적으로 더 생성하기 위해 마련된 구성요소로서, 바람의 세기나 풍향의 변화에 의해 흔들리며 전기를 생성할 수 있도록, 태양광모듈(122)의 테두리를 따라 마치 나뭇잎과 같은 형태로 다수 개가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 리프형 진동식압전모듈(124)은, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 바람저항부재(124a) 및 폴리머압전소자(124b) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 바람저항부재(124a)는 소정의 면적을 갖는 판재형상으로 이루어져 바람의 흐름에 저항하면서 후술할 폴리머압전소자(124b)가 휘어지도록 하는 구성요소로서, 후술할 폴리머압전소자(124b)를 통해 태양광모듈(122)과 연결된다.
이러한 바람저항부재(124a)는, 바람의 흐름을 막을 수 있는 소정 면적의 평평한 판재형상이면 충분하므로, 도시된 바와 같이 삼각형 형상은 물론, 사각형 또는 원형 등의 형상으로 제작될 수 있다.
폴리머압전소자(124b)는, 바람저항부재(124a)에 가해지는 바람저항인 바람의 세기나 풍향의 변화에 따라 자유자재로 휘어지며 전기를 생성하는 구성요소로서, 연질의 PVDF를 소재로 판상이나 막대형상으로 제작되되, 일단부가 태양광모듈(122)의 테두리에 고정되고 타단부는 바람저항부재(124a)와 결합된다.
이때, 폴리머류의 압전소자를 선택한 이유는, 비록 전기에너지 변환효율이 작지만, 미세한 바람의 변화에도 용이하게 휘어지며 전기를 지속적으로 생성할 수 있도록 하기 위함이다.
상술한 바와 같은 리프형 진동식압전모듈(124)은, 태양광모듈(122)의 태양광 흡수를 저해하지 않는 한도 내에서 태양광모듈(122)의 테두리를 따라 되도록 촘촘하게 배치하여 발전용량을 증대시키는 것이 바람직하며, 생성된 전기는 모두 송전케이블(132)을 통해 후술할 충전제어반(130)으로 전달된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 태양광모듈(122)과 다수 개의 리프형 진동식압전모듈(124)의 통합된 형태가, 톨게이트 주변의 미활용 에너지인 태양광과 바람으로부터 각각 전기를 복합적, 다면적으로 생성함에 따라 발전효율의 향상이 도모될 수 있고, 외부로부터의 전기공급 없이도 톨케이트 부하단(30)의 자율운용이 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
충전제어반(130)은, 지면하베스터(110) 및 지상하베스터(120)와 각각 연결된 상태에서 생성된 전기를 충전가능한 형태로 변환시켜 충전하고 톨게이트 부하단(30)에 가용되는 형태로 전기를 공급하는 구성요소로서, 상술한 바와 같은 기능 내지 작동을 수행하기 위해 지면하베스터(110) 및 지상하베스터(120)와 송전케이블(132)로 전기적으로 연결되는 한편, 톨게이트 부하단(30)과도 송전케이블(132)로 각각 전기적으로 연결된다.
본 발명의 실시예에 따른 충전제어반(130)은, 구체적으로 생성된 전기를 슈퍼 커패시터나 2차 전지에 충전가능한 범위와 형태의 전기로 정류 및 평활화하는 베터리관리시스템(BMS, 미도시), 정류 및 평활화된 전기를 저장하는 충전지(미도시) 및 각각의 톨케이트 부하단(30)에 필요한 형태로 저장된 전기를 변환하여 공급하는 인버터(미도시) 등을 포함할 수 있다.
여기서 톨게이트 부하단(30)이란, 톨게이트(10)를 운영하기 위해 사용되는 전력소모장치를 말하는 것으로, 구체적으로 톨게이트 전광판(30a), 신호등(30b), 가로등(30c) 및 도로 유도등 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
이러한 충전제어반(130)은, 외부 상용전원을 제공받는 배전반(140)과 연결되어 생성된 전기 중 잉여분을 배전반(140)을 통해 외부에 제공하는 한편, 톨게이트 부하단(30)의 자율운용에 부족분이 발생하게 되면 해당 부족분을 배전반(140)을 통해 외부 상용전원으로 즉시 대체하는 절환작동을 수행하도록 제작될 수 있다. 충전제어반(130)의 절환작동은 컨트롤러(미도시)와 스위칭장치(미도시)를 통해 구현될 수 있다.
이상에서 살펴본 톨게이트용 에너지 하베스터시스템(100)에 따르면, 톨게이트 진출입 도로(20)상을 통과하는 차량에서 발생되는 미활용 에너지인 충격과 진동으로부터 각각 전기를 수확하는 지면하베스터(110)와, 톨게이트 주변의 또 다른 미활용 에너지인 태양광과 바람으로부터 각각 전기를 수확하는 지상하베스터(120) 간의 융합이 이루어짐에 따라 미활용 에너지가 복합적, 다면적으로 활용될 수 있게 된다. 이로 인해 종래에 비해 발전효율이 친환경적으로 향상될 수 있으며, 톨게이트 부하단(30)의 자율운용이 보다 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
한편, 도 4에 도시된 본 발명의 변형예에 따른 지면하베스터(110)는, 톨게이트(10)를 기준으로 소정길이의 진출입 도로(20)상에서 차량 바퀴의 좌우 폭에 대응하도록 이격된 상태에서 도로의 길이방향을 따라 형성되는 2개의 제2 압전대(110b)로 이루어질 수 있다.
이러한 2개의 제2 압전대(110b)는, 제2 압전대(110b)가 형성된 톨게이트 진출입 도로(20)에서부터 계속적, 연속적으로 차량의 하중이나 진동을 전기로 변환할 수 있다는 점에서 제1 압전대(110a)와 발전효율 상에서 명확하게 구별된다.
다만, 제2 압전대(110b)는 간헐적, 불연속적으로 형성되는 것이 아닌 연속적으로 형성되는 관계상 제1 압전대(110a)에 비해 보다 많은 충격식압전모듈(114)과 캔틸레버형 진동식압전모듈(115)이 소요됨에 따라 시스템 구축비용이 증가될 수 있다. 따라서 톨게이트 설계자는 이러한 점을 고려하여 제1,2 압전대(110a,110b)를 필요에 따라 선택할 수 있다.
본 발명의 변형예에 따른 제2 압전대(110b)는, 제1 압전대(110a)와 배치방향이 서로 상이할 뿐이고 동일한 구성요소인 바닥슬래브(112), 충격식압전모듈(114) 및 상판부재(116) 등을 포함하여 이루진다.
이때, 바닥슬래브(112)는 진출입방향을 따라 다수 개의 장착홈(112a)이 이격되며 함몰형성되는 구성요소이고, 충격식압전모듈(114)은 다수 개로 이루어져 장착홈(112a)에 각각 설치된 상태에서 상단부를 통과하는 차량에 의해 가해지는 기계적 충격으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 구성요소이며, 상판부재(116)는 바닥슬래브(112)와 충격식압전모듈(114)의 상단부를 덮는 구성요소에 해당한다. 이러한 구성요소들은 앞서 제1 압전대(110a)에 대한 설명으로 충분히 이해되고 대체될 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 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 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 톨게이트(건축물) 20: 진출입 도로
30: 톨게이트 부하단 30a: 전광판
30b: 신호등 30c: 가로등
100: 톨게이트용 에너지 하베스터시스템
110: 지면하베스터 110a,100b: 제1 압전대, 제2 압전대
112: 바닥슬래브 112a: 장착홈
112b: 설치홈 114: 충격식압전모듈
115: 캔틸레버형 진동식압전모듈 116: 상판부재
116a: 요철부 118: 지지부재
120: 지상하베스터 122: 태양광모듈
124: 리프형 진동식압전모듈 124a: 바람저항부재
124b: 폴리머압전소자 130: 충전제어반
132: 송전케이블 140: 배전반

Claims (10)

  1. 톨게이트 진출입 도로상에 포설되어 차량의 통과에 따른 기계적 힘에 의해 변형되며 전기를 생성하는 지면하베스터;
    톨게이트 건축물의 지붕에 설치되어 태양광에 의해 전기를 생성하는 지상하베스터; 및
    상기 지면하베스터 및 상기 지상하베스터와 각각 연결된 상태에서 생성된 전기를 충전가능한 형태로 변환시켜 충전하고 톨게이트 부하단에 가용되는 형태로 전기를 공급하는 충전제어반을 포함하고,
    상기 지면하베스터는, 톨게이트를 기준으로 소정길이의 진출입 도로상에서 차량 바퀴의 좌우 폭에 대응하도록 이격된 상태에서 도로의 길이방향을 따라 형성되는 2개의 제2 압전대로 이루어지고,
    상기 제2 압전대는,
    진출입방향을 따라 다수 개의 장착홈이 이격되며 함몰형성된 바닥슬래브; 상기 장착홈에 설치된 상태에서 상단부를 통과하는 차량의 바퀴에 의해 직접 가해지는 기계적 충격으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 다수 개의 충격식압전모듈; 및 상기 바닥슬래브와 상기 충격식압전모듈의 상단부를 덮는 상판부재를 포함하고,
    상기 상판부재의 상면에는, 상기 충격식압전모듈에 대응하는 위치에서 상방으로 돌출형성된 요철부가 더 형성되고, 상기 장착홈의 바닥면과 상기 충격식압전모듈 사이에는, 상기 충격식압전모듈에 가해지는 충격을 완화하는 지지부재가 더 구비되고,
    상기 제2 압전대는,
    상기 바닥슬래브의 서로 인접한 상기 장착홈 사이에 다수 개의 설치홈이 함몰형성되고, 상기 설치홈 내에 설치된 상태에서 상기 상판부재 위를 통과하는 차량으로부터 전달되는 기계적 진동으로 인해 변형되며 전기를 생성하는 다수 개의 캔틸레버형 진동식압전모듈을 더 포함하고,
    상기 진동식압전모듈은, 상기 설치홈의 바닥면과 상판부재의 하면에 설치고정되는 세로방향의 고정판재 및 상기 고정판재와 직각으로 연결되어 상하로 가변되는 가로방향의 떨림판재로 구성되어 전체적으로 '┝' 형태를 이루고, 상기 떨림판재의 상면 및 하면 중 적어도 어느 한쪽에 구비되어 상기 떨림판재의 가변에 따라 변형되는 압전소자를 포함하며,
    상기 지상하베스터는,
    상기 톨게이트 건축물의 지붕에 설치되는 다수 개의 태양광모듈로 이루어지되, 상기 태양광모듈의 테두리를 따라 바람의 세기나 풍향의 변화에 의해 흔들리며 전기를 생성하는 다수 개의 리프형 진동식압전모듈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전제어반은,
    외부 상용전원을 제공받는 배전반과 연결되어, 생성된 전기 중 잉여분을 상기 배전반을 통해 외부에 제공하고, 부족분을 상기 배전반을 통해 외부 상용전원으로 대체하는 절환작동을 하는 것을 특징으로 하는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리프형 진동식압전모듈은,
    소정의 면적을 갖는 판재형상으로 이루어져 바람의 흐름에 저항하는 바람저항부재; 및
    연질의 PVDF를 소재로 판상으로 제작되되, 일단부가 상기 태양광모듈의 테두리에 고정되고, 타단부는 상기 바람저항부재와 결합되어 바람의 세기나 풍향의 변화에 따라 휘어지며 전기를 생성하는 폴리머압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 톨게이트 부하단은,
    톨게이트 전광판, 신호등, 가로등 및 도로 유도등 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 톨게이트용 에너지 하베스터시스템.
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