KR101911631B1 - 도로용 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

도로용 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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양찬호
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안정환
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Abstract

외력에 의한 변위를 증폭하여 발전 효율을 높일 수 있는 도로용 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 도로용 에너지 하베스팅 장치는 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동하는 상판부; 상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1측벽; 상기 상판부와 탄성체로 연결되는 제2측벽; 상기 제2측벽과 수직으로 연결되며, 압전 소자가 부착되는 플레이트; 일단이 상기 제1측벽과 연결되며, 타단이 상기 제2측벽과 연결된 변위 증폭부; 및 상기 제2측벽보다 상기 제1측벽에 가까운 위치에서, 상기 변위 증폭부를 지지하는 하판부를 포함한다.

Description

도로용 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS FOR ROAD}
본 발명은 도로용 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외력에 의한 변위를 증폭하여 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 외력에 의한 변위를 증폭하여 발전 효율을 높일 수 있는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동하는 상판부; 상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1측벽; 상기 상판부와 탄성체로 연결되는 제2측벽; 상기 제2측벽과 수직으로 연결되며, 압전 소자가 부착되는 플레이트; 일단이 상기 제1측벽과 연결되며, 타단이 상기 제2측벽과 연결된 변위 증폭부; 및 상기 제2측벽보다 상기 제1측벽에 가까운 위치에서, 상기 변위 증폭부를 지지하는 하판부를 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동하는 상판부; 상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1측벽; 상기 상판부와 탄성체로 연결되며, 압전 소자가 구비된 플레이트가 수직으로 연결된 제2측벽; 상기 제1측벽의 이동에 의해, 상기 제2측벽을 상부 방향으로 이동시키는 변위 증폭부; 및 상기 제2측벽보다 상기 제1측벽에 가까운 위치에서, 상기 변위 확대부를 지지하는 하판부를 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 압전 소자가 설치된 플레이트와 연결된 측벽의 변위를 증가시켜 발전 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 탄성체를 이용하여 압전 소자에 의해 연속적으로 발전이 이루어질 수 있도록 함으로써, 발전 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 에너지 하베스팅 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 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 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는 도로에 매설되어 전력을 생산하며, 상판부(110), 제1측벽(120), 제2측벽(130), 다수의 플레이트(140), 변위 증폭부(150) 및 하판부(160)를 포함한다.
상판부(110)는 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동한다. 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치가 매설된 도로 위를 차량 등이 이동할 경우, 상판부(110)는 자동차의 하중이나 도로의 진동 등에 의한 외력을 전달받아 하부 방향, 즉 하판부(106) 방향으로 이동한다.
제1측벽(120)은 상판부(110)로부터 하부 방향으로 연장되며, 제2측벽(130)은 상판부(110)와 탄성체(131)로 연결된다. 탄성체는 일실시예로서 용수철일 수 있으며, 이외 탄성력을 구비하는 다양한 재질이 탄성체로 이용될 수 있다.
플레이트(140)는 제2측벽(130)과 수직으로 연결되며, 플레이트(140)에는 압전 소자가 부착된다. 압전 소자는 플레이트(140)의 상면 또는 하면이나 양면에 모두 부착될 수 있다. 제2측벽(130)과 연결되는 플레이트의 개수는, 실시예에 따라서 다양하게 결정될 수 있다.
변위 증폭부(150)는 제1측벽(120)의 이동에 의해, 제2측벽(130)을 상부 방향으로 이동시키며, 일단이 제1측벽(120)과 연결되며, 타단이 제2측벽(130)과 연결된다. 이 때, 변위 증폭부(150)는 제1측벽(120)과 연결되는 제1회전축(151) 및 제2측벽(130)과 연결되는 제2회전축(152)를 포함할 수 있다.
그리고 하판부(160)는 제2측벽(130)보다 제1측벽(120)에 가까운 위치에서, 변위 증폭부(150)를 지지한다. 하판부(160)는 변위 증폭부(150)를 지지하기 위한 지지부재(161)를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 변위 증폭부(150)는 일종의 지랫대로서, 지랫대 원리에 기반하여 제1측벽(120)의 변위보다 제2측벽(130)의 변위를 증폭시킬 수 있다. 변위 증폭부(150)는 지지 부재(161)의 지지 위치를 중심으로 회전하며, 변위 증폭부(150)의 일단이 제1측벽(120)에 의해 하부 방향으로 이동하는 경우, 변위 증폭부(150)의 타단은 상부 방향으로 이동한다.
하판부(160)가 제2측벽(130)보다 제1측벽(120)에 가까운 위치에서 변위 증폭부(150)를 지지하기 때문에, 제1측벽(120)이 하부 방향으로 이동하는 변위보다 제2측벽(130)이 상부 방향, 즉 상판부(110) 방향으로 이동하는 변위가 더 증가할 수 있다.
제2측벽(130)이 상부 방향으로 이동함에 따라, 제2측벽(130)에 연결된 플레이트(140)의 무게에 의해 플레이트(140)가 휘어지고, 플레이트(140)가 휘어짐에 따라 압전 소자에 변형이 발생하여, 압전 소자에서 전력이 생산될 수 있는데, 제2측벽(130)의 변위가 작다면 플레이트(140)가 휘어지는 정도가 작을 수 밖에 없으며, 따라서 발전 효율 역시 낮을 수 밖에 없다.
특히, 도로의 경우 자동차 등에 의해 상하로 이동하는 이동폭이 크지 않기 때문에, 상판부(110)가 하부 방향으로 이동하는 변위 역시 작으며, 따라서 변위 증폭부(150)가 구비되지 않으면, 제2측벽(130)은 상판부(110)가 하부 방향으로 이동하는 변위만큼 이동할 수 없기 때문에, 발전 효율이 낮아진다.
이에 본 발명은, 지렛대의 원리에 기반한 변위 증폭부를 이용함으로써, 상판부의 상하 이동량이 적은 환경에서도, 제2측벽의 변위를 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치는 상판부(110)의 상면에 형성되며, 도로 외부에 노출되는 태양광 패널을 더 포함할 수 있다. 태양광 패널이 차량의 하중을 견딜 수 있도록, 외부와 노출되는 태양광 패널 영역에 투명한 재질의 강화유리 등이 부착될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치의 에너지 하베스팅 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 도 2는 도로용 에너지 하베스팅 장치로 외력이 인가되는 경우를 도시하며, 도 3은 인가되는 외력이 사라진 경우를 도시한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 화살표 방향으로 상판부(110)에 외력이 인가되면, 제1측벽(120)이 하부 방향으로 이동한다. 이에 따라 변위 증폭부(150)의 일단이 아래로 내려가면, 변위 증폭부(150)의 타단이 위로 올라간다. 따라서, 제2측벽(130) 역시 위로 올라가며, 탄성체(131)가 수축된다.
이 때, 제1측벽(120)의 변위는, 도 1에 도시된 변위 증폭부(150)와 하판부(160) 사이의 이격 거리(L1)에 대응되지만, 제2측벽(130)의 변위는 지렛대의 원리에 의해 이격 거리(L1) 이상이 된다. 즉, 제2측벽의 변위는 제1측벽의 변위보다 크다.
변위 증폭부(150)에 의한 제2측벽(130)의 변위는, 변위 증폭부(150)를 지지하는 위치 및 탄성체(131)의 최대 축소 길이(L2)에 따라 결정될 수 있다. 지지 부재(161)가 제1측벽(120)에 가까울수록 제2측벽(130)의 변위는 증가할 수 있으며, 탄성체(131)의 최대 축소 길이, 즉 탄성체(131)가 최대로 축소되었을 때의 길이가 작을수록 제2측벽(130)의 변위는 증가할 수 있다.
도 2에서, 제2측벽(130)은 도 1의 탄성체(131)의 길이에서, 최대 축소 길이(L2) 및 상판부(110)가 하부 방향으로 이동한 거리를 뺀 만큼, 상부 방향으로 이동할 수 있다. 지지 부재(161)의 위치에 따라서 제2측벽(130)이 상부 방향으로 이동할 수 있는 변위가 달라질 수 있는데, 다만, 제2측벽(130)이 상부 방향으로 이동할 수 있는 변위는 탄성체(131)의 최대 축소 길이(L2)에 따라 제한될 수 있다.
제2측벽(130)이 상부 방향으로 이동하면서, 전술된 바와 같이 플레이트가 휘어지며 압전 소자에 의해 발전이 이루어질 수 있다. 그리고 제2측벽(130)의 변위의 증가에 의해 발전 효율이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 2측벽(130)이 상부 방향으로 이동하면서, 탄성체(131)의 길이가 최대 축소 길이(L2)에 대응될 경우, 제2측벽(130)은 정지하게 되고, 관성에 따라 플레이트(140)가 다른 방향으로 휘어지면서 압전소자에 의해 발전이 이루어질 수 있다.
한편, 탄성체는 상판부(110) 또는 제2측벽(131)에 삽입되어 상판부(110) 및 제2측벽(131) 연결될 수 있으며, 탄성체의 일부가 외부에 노출될 수 있다. 따라서, 탄성체(131)의 길이가 감소함에 따라 제2측벽(131)은 상판부(110)를 직접 타격할 수 있으며, 타격에 의한 진동이 플레이트를 진동시키면서 발전 효율이 더욱 상승할 수 있다.
이후 외력이 사라진 상태를 도시하는 도 3을 참조하면, 상판부(110)는 외력이 사라짐에 따라 상부 방향으로 이동하며, 탄성체(131)의 탄성력에 의해 제2측벽(130)은 하부 방향으로 이동한다. 이에 따라 제2측벽(130)이 연결된 변위 증폭부(150)의 타단은 하판부(160)를 타격하며, 이러한 충격에 의해 재차 압전 소자에 의해 발전이 이루어질 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 증가된 변위에 의해 1차적으로 발전이 이루어지고, 제2측벽(130)이 상부 방향으로 이동하여 정지하는 시점에 2차적으로 발전이 이루어지고, 제2측벽(130)이 하부 방향으로 이동하여 하판부(160)를 타격하는 시점에 3차적으로 발전이 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 압전 소자가 설치된 플레이트와 연결된 측벽의 변위를 증가시켜 발전 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 탄성체를 이용하여 압전 소자에 의해 연속적으로 발전이 이루어질 수 있도록 함으로써, 발전 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도로용 에너지 하베스팅 장치의 플레이트(140) 및 제2측벽(130)만을 따로 도시하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플레이트(140)의 일단에 질량추(410, tip mass)가 위치한다. 질량추(410)에 의해 플레이트(140)가 휘어지는 정도가 증가할 수 있으며, 따라서 발전 효율이 더욱 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도로용 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 도로용 에너지 하베스팅 장치와 달리, 도 5에 도시된 도로용 에너지 하베스팅 장치와 같이, 변위 증폭부(550)는 제1 및 제2측벽(520, 530)과 연결되지 않을 수 있다. 외력이 인가되지 않는 경우, 제1측벽(520)은 변위 증폭부(550)와 접촉된 상태이기는 하나, 연결된 상태는 아니며, 제2측벽(530)은 변위 증폭부(550)와 기 설정된 간격만큼 이격되어 있다. 그리고 탄성체(531)와 상판부(510)를 연결하는 연결부재(532)가 구비될 수 있다. 탄성체(531)는 연결부재(532)에 삽입될 수 있다.
제1측벽(520)이 하부 방향으로 이동하여, 제1측벽(520)의 이동에 의해 변위 증폭부(550)의 일단이 하부 방향으로 이동하는 경우, 제2측벽(530)과 이격된 변위 증폭부(550)의 타단이 제2측벽(530)을 타격한다. 타격에 의해 제2측벽(530)에 연결된 플레이트가 진동하거나 휘어질 수 있으며, 압전 소자에 의해 발전이 이루어질 수 있다.
변위 증폭부(550)의 타단은 제2측벽(530)을 타격한 이후 상부 방향으로 이동하며, 이후 발전 과정은 전술된 바와 동일하다.
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 (12)

  1. 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동하는 상판부;
    상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1측벽;
    상기 상판부와 탄성체로 연결되는 제2측벽;
    상기 제2측벽과 수직으로 연결되며, 압전 소자가 부착되는 플레이트;
    일단이 제1회전축을 통해 상기 제1측벽과 연결되며, 타단이 제2회전축을 통해 상기 제2측벽과 연결된 변위 증폭부; 및
    상기 제2측벽보다 상기 제1측벽에 가까운 위치에서, 상기 변위 증폭부를 지지하는 지지부재를 구비하는 하판부
    를 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변위 증폭부는 상기 지지부재의 지지 위치를 중심으로 회전하며,
    상기 변위 증폭부의 일단이 상기 제1측벽에 의해 상기 하부 방향으로 이동하는 경우, 상기 변위 증폭부의 타단은 상부 방향으로 이동하는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 변위 증폭부에 의한 상기 제2측벽의 변위는
    상기 변위 증폭부를 지지하는 위치 및 상기 탄성체의 최대 축소 길이에 따라 결정되는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성체는
    상기 상판부 및 상기 제2측벽에 삽입되어, 상기 상판부 및 상기 제2측벽과 연결되며,
    상기 탄성체의 일부가 외부에 노출되는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 플레이트의 일단에 위치하는 질량추
    를 더 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 상판부의 상면에 형성되며, 도로 외부에 노출되는 태양광 패널
    을 더 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치.
  7. 외력을 전달받아 하부 방향으로 이동하는 상판부;
    상기 상판부로부터 상기 하부 방향으로 연장되는 제1측벽;
    상기 상판부와 탄성체로 연결되며, 압전 소자가 구비된 플레이트가 수직으로 연결된 제2측벽;
    상기 제1측벽의 이동에 의해, 상기 제2측벽을 상부 방향으로 이동시키는 변위 증폭부; 및
    상기 제2측벽보다 상기 제1측벽에 가까운 위치에서, 상기 변위 증폭부를 지지하는 하판부를 포함하며,
    상기 제2측벽과 이격된 상기 변위 증폭부의 일단은, 상기 제1측벽의 이동에 의해, 상기 변위 증폭부의 타단이 상기 하부 방향으로 이동할 경우, 상기 제2측벽을 타격하며,
    상기 탄성체는, 상기 상판부 또는 상기 제2측벽에 삽입되어 상기 상판부와 상기 제2측벽을 연결하는,
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2측벽의 변위는
    상기 제1측벽의 변위보다 큰
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 변위 증폭부에 의한 상기 제2측벽의 변위는
    상기 변위 증폭부를 지지하는 위치 및 상기 탄성체의 최대 축소 길이에 따라 결정되는
    도로용 에너지 하베스팅 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 상판부의 상면에 형성되며, 도로 외부에 노출되는 태양광 패널
    을 더 포함하는 도로용 에너지 하베스팅 장치.
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