KR101971593B1 - 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치 - Google Patents

마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치 Download PDF

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KR101971593B1 KR1020170154238A KR20170154238A KR101971593B1 KR 101971593 B1 KR101971593 B1 KR 101971593B1 KR 1020170154238 A KR1020170154238 A KR 1020170154238A KR 20170154238 A KR20170154238 A KR 20170154238A KR 101971593 B1 KR101971593 B1 KR 101971593B1
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박진형
김동섭
장홍석
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한국생산기술연구원
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Abstract

마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치로서, 지면에 대해 수평방향으로 위치한 고정체, 일단은 상기 고정체에 고정되고 타단은 자유운동하며, 지면에 대해 수직방향으로 위치한 축, 상기 타단의 끝점에 고정되고, 지면에 대해 수평방향으로 위치한 지지대, 그리고 상기 지지대 상에 위치하여, 상기 지지대에 가해지는 외력에 의해 발생하는진동 에너지에 따라 발생하는 마찰력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰 대전 발전기를 포함하며, 상기 마찰 대전 발전기의 효율은 상기 진동 에너지와 상기 전기 에너지에 의해 결정된다.

Description

마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치{Apparatus for measuring the efficiency of a triboelectric generator}
본 발명은 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅 기술은 크게 중력 에너지, 열전 에너지, 광 에너지, 전자파 에너지, 진동 에너지 등을 수집하여 전기를 생산하는 기술이다.
마찰대전 효과(triboelectric effect)를 이용하여 진동에너지를 수집하여 에너지를 하베스팅하는 마찰 대전 발전기의 경우, 비교적 구조가 간단하고 높은 에너지 변환 효율을 가져 다양한 장치 및 장소에 구현되고 있다. 다만, 마찰 대전 발전기가 생산하는 전기 에너지는 용이하게 측정할 수 있으나, 마찰 대전 발전기에 입력되는 입력 에너지를 정량화 할 수 없어, 마찰 대전 발전기의 효율을 정확하게 측정하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치는 지면에 대해 수평방향으로 위치한 고정체, 일단은 상기 고정체에 고정되고 타단은 자유운동하며, 지면에 대해 수직방향으로 위치한 축, 상기 타단의 끝점에 고정되고, 지면에 대해 수평방향으로 위치한 지지대, 그리고 상기 지지대 상에 위치하여, 상기 지지대에 가해지는 외력에 의해 발생하는진동 에너지에 따라 발생하는 마찰력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 마찰 대전 발전기를 포함하며, 상기 마찰 대전 발전기의 효율은 상기 진동 에너지와 상기 전기 에너지에 의해 결정된다.
상기 진동 에너지는 상기 외력 및 상기 마찰 대전 발전기의 위치 에너지에 의해 결정되며, 상기 전기 에너지는 상기 외력에 의해 상기 지지대가 진동 운동을 시작하여 진동 운동이 완전히 멈추는 시간까지 상기 마찰 대전 발전기가 발생시키는 전기 에너지의 평균값인 마찰 대전 발전기의 효율을 측정한다.
상기 위치 에너지는 상기 마찰 대전 발전기의 질량, 중력가속도 및 상기 외력에 의해 상기 축이 휘어졌을 때 상기 축과 상기 고정체 사이의 각도에 의해 결정되는 마찰 대전 발전기의 효율을 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치는 지면에 대해 수평방향으로 위치한 고정체, 일단은 상기 고정체에 고정되고 타단은 자유운동하며, 지면에 대해 수직방향으로 위치한 축, 상기 타단의 끝점에 고정되고, 지면에 대해 수평방향으로 위치한 지지대, 상기 지지대 상에 위치하고 상기 지지대의 양 끝단에 고정된 한 쌍의 측면 고정부, 상기 지지대 상에 위치하고 상기 지지대의 중앙에 위치하여, 상기 한 쌍의 측면 고정부에 의해 고정된 이동축에 삽입된 스프링의 탄성에 의해 좌우로 진동 운동하는 중앙 고정부, 상기 측면 고정부의 내측에 각각 부착된 제1 마찰 전극, 상기 중앙 고정부의 양측에 각각 부착되고, 상기 제1 마찰 전극과 서로 다른 전하로 대전된 제2 마찰 전극, 그리고 상기 축으로부터 일정 거리에 이격하여 위치하고, 상기 중앙 고정부에 추가적인 진동 운동을 수행하게 하는 구조체를 포함하며, 발전 효율은 상기 지지대에 가해지는 외력에 의해 발생하는 진동 에너지와, 상기 지지대가 진동 운동을 시작하여 진동 운동이 완전히 멈추는 시간까지 상기 제1 마찰 전극과 제2 마찰 전극이 서로 접촉하고 분리됨에 따라 발생하는 전기 에너지에 의해 결정된다.
상기 진동 에너지는 상기 외력 및 상기 제1 마찰 전극 및 상기 제2 마찰 전극의 위치 에너지에 의해 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정한다.
상기 위치 에너지는 상기 제1 마찰 전극 및 상기 제2 마찰 전극의 질량, 중력가속도 및 상기 외력에 의해 상기 축이 휘어졌을 때 상기 축과 상기 고정체 사이의 각도에 의해 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정한다.
상기 각도는 상기 구조물의 높이와 상기 축과 상기 구조물 사이의 거리를 이용하여 결정된다.
본 발명에 따르면, 마찰 대전 발전기에 에너지 소스로 입력되는 진동 에너지를 정량화할 수 있어, 마찰 대전 발전기의 효율을 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 발전기의 효율을 측정하는 장치가 마찰 발전기의 효율을 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치 및 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치(100)는 고정체(110), 축(120), 지지대(130) 및 마찰 대전 발전기(140)를 포함한다.
고정체(110)는 지면에 대해 수평방향으로 위치한다.
축(120)은 일단이 고정체(110)에 고정되고 타단은 자유운동하며, 지면에 대해 수직방향으로 위치한다. 즉, 축(120)은 단단한 재질이 아닌 탄성을 가진 물체일 수 있고, 타단에 힘이 가해졌을 때 특정 방향으로 진동 운동을 수행할 수 있다.
지지대(130)는 축(120)의 타단의 끝점에 고정되고, 지면에 대해 수평방향으로 위치한다.
도 1에서는 지지대(130)의 양 측에 고정대가 달려있고 중간은 평평한 형태로 도시되었으나, 마찰 대전 발전기(140)를 지면과 수평으로 위치시킬 수 있는 형태라면 지지대(130)의 구체적인 형태는 다양하게 변경될 수 있음은 당연하다.
마찰 대전 발전기(140)는 지지대(130) 상에 위치하여, 지지대(130)에 가해지는 외력에 의해 발생하는 진동 에너지에 따라 발생하는 마찰력을 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다.
구체적으로, 마찰 대전 발전기(140)는 한 쌍의 고정부(141a 및 141b), 한 쌍의 고정부(141a 및 141b) 사이에 위치한 레일(142) 및 레일(142)의 측면에 위치한 가이드홈에 의해 고정되어 슬라이드 형태로 좌우로 이동하는 마찰 대전 장치(143)를 포함한다.
한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 마찰 대전 장치(143)는 마찰 대전이 일어 나면, 서로 다른 전하로 대전될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 마찰 대전 장치(143)는 서로 접촉하거나 사이 간격이 변화하였을 때, 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)는 양전하로 대전되고, 마찰 대전 장치(143)는 음전하로 대전될 수 있다. 물론 다른 실시예에서 반대의 경우도 가능하다. 이를 위해 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 마찰 대전 장치(143) 중 어느 하나는 상대적으로 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고, 다른 하나는 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수 있다.
마찰 대전 장치(143)의 위치가 이동함에 따라 마찰 대전 장치(143)는 위치가 고정된 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 서로 접촉하거나, 사이의 간격이 변화할 수 있는데, 여기서 일어나는 마찰 대전을 통해 전기 에너지가 발생한다. 마찰 대전이란 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 마찰 대전 장치(143)가 서로 접촉하는 경우뿐 아니라, 한 쌍의 고정부(141a 및 141b)와 마찰 대전 장치(143)가 상호간 접촉하지 않고, 간격이 변화하는 경우도 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 발전기의 효율을 측정하는 장치가 마찰 발전기의 효율을 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 지지대(130)에 외력
Figure 112017114742618-pat00001
를 가하게 되면, 축(120)은 외력
Figure 112017114742618-pat00002
를 가한 방향으로 휘어지고, 이후 지지대(130)는 좌우로 진동 운동을 수행한다. 이 때, 외력
Figure 112017114742618-pat00003
와 마찰 대전 발전기(140)에 실제 전달되는 힘
Figure 112017114742618-pat00004
와의 관계는 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112017114742618-pat00005
수학식 1에서,
Figure 112017114742618-pat00006
은 마찰 대전 발전기(140)의 질량이고,
Figure 112017114742618-pat00007
는 중력가속도이며,
Figure 112017114742618-pat00008
는 외력
Figure 112017114742618-pat00009
에 의해 축(120)이 휘어졌을 때 축(120)과 고정체(110) 사이의 각도를 의미한다. 즉, 마찰 대전 발전기(140)에 실제 전달되는 힘
Figure 112017114742618-pat00010
은 마찰 대전 발전기(140)가 수집하는 진동 에너지로서, 외력
Figure 112017114742618-pat00011
에서 마찰 대전 발전기(140)에 작용하는 위치 에너지를 제외한 값으로 정의할 수 있다.
또한, 외력
Figure 112017114742618-pat00012
와 지지대(130)의 중심이 이동한 거리
Figure 112017114742618-pat00013
와의 관계는 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112017114742618-pat00014
수학식 2에서,
Figure 112017114742618-pat00015
는 영률(Young's modules)로서 축(130)을 구성하는 물질의 고유한 특성이며, 축(130)을 구성하는 물질에 따라 달라지는 상수이다.
Figure 112017114742618-pat00016
는 관성모멘트(moment of inertia)로서,
Figure 112017114742618-pat00017
으로 정의되고
Figure 112017114742618-pat00018
는 축(120)의 가로길이,
Figure 112017114742618-pat00019
는 축(120)의 세로길이를 의미한다. 또한,
Figure 112017114742618-pat00020
는 지면에서 축(130)의 끝점까지의 거리이다. 수학식 2를 통해, 외력
Figure 112017114742618-pat00021
와
Figure 112017114742618-pat00022
,
Figure 112017114742618-pat00023
및
Figure 112017114742618-pat00024
을 이용하여
Figure 112017114742618-pat00025
를 결정할 수 있다.
수학식 1 및 수학식 2를 통해 결정된
Figure 112017114742618-pat00026
와
Figure 112017114742618-pat00027
를 이용하여 마찰 대전 발전기(140)에 입력된 입력 에너지
Figure 112017114742618-pat00028
은 수학식 3으로 정의할 수 있다.
Figure 112017114742618-pat00029
또한,
Figure 112017114742618-pat00030
은 외력
Figure 112017114742618-pat00031
에 의해 지지대(130)가 진동 운동을 시작하여 진동 운동이 완전히 멈추는 시간까지 마찰 대전 발전기(120)가 발생시키는 전기 에너지의 평균값을 의미한다.
최종적으로, 마찰 대전 발전기(140)의 효율
Figure 112017114742618-pat00032
은 수학식 4로 정의할 수 있다.
Figure 112017114742618-pat00033
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치(200)는 고정체(210), 축(220), 지지대(230), 한 쌍의 고정부(240a, 240b 및 240c), 한 쌍의 마찰 전극(250 및 260), 스프링(270), 이동축(280) 및 구조물(290)을 포함한다.
고정체(210), 축(220) 및 지지대(230)에 대한 내용은 도 1의 고정체(110), 축(110) 및 지지대(230)와 동일한바 도 3에서는 설명을 생략한다.
한 쌍의 고정부(240a, 240b 및 240c)는 측면 고정부(240a 및 240c) 및 중앙 고정부(240b)를 포함하며, 지지대(230) 상에 위치한다.
측면 고정부(240a 및 240c)는 내측에 제1 마찰 전극(250a 및 250b)을 각각 포함하며, 지지대(230)의 양 끝단에 고정되어 있다.
중앙 고정부(240b)는 양측에 제2 마찰 전극(260a 및 260b)을 포함하며, 초기에 지지대(230)의 중앙에 위치하여 측면 고정부(240a 및 240c)에 의해 고정된 이동축(280)에 삽입된 구현된 스프링(270)의 탄성에 의해 좌우로 진동 운동한다.
한 쌍의 마찰 전극(250 및 260)은 제1 마찰 전극(250)과 제2 마찰 전극(260)을 포함하며, 제1 마찰 전극(250)과 제2 마찰 전극(260)은 마찰 대전이 일어 나면, 서로 다른 전하로 대전될 수 있다.
이 경우, 지지대(230)에 가해지는 외력
Figure 112017114742618-pat00034
에 의해 중앙 고정부(240b)가 좌우로 진동 운동함에 따라, 제1 마찰 전극(250)과 제2 마찰 전극(260)은 서로 접촉하거나, 사이의 간격이 변화할 수 있는데, 여기서 일어나는 마찰 대전을 통해 전기 에너지가 발생한다.
외력
Figure 112017114742618-pat00035
가 지지대(230)에 가해지면, 축(120)은 외력
Figure 112017114742618-pat00036
를 가한 방향으로 휘어지고, 이후 이동축(280)은 축(120)으로부터 일정 거리에 이격하여 위치하는 구조체(290)에 닿게 된다. 이 경우, 이동축(280)은 구조체(290)로부터 받는 힘을 스프링(270)을 통해 중앙 고정부(240b)에 전달한다. 이에 따라, 중앙 고정부(240b)는 추가적인 진동 운동을 수행하게 된다.
도 1 및 도 2에 따른 마찰 발전기의 효율을 측정하는 장치(100)에 비해, 도 3에 도시된 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치(200)는 상기 과정을 통해 더 긴 시간동안 지지대(230)가 진동 운동을 수행하게 함으로써, 장치(200)를 통해 측정되는 에너지 효율의 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치(200)는 구조물(290)의 높이
Figure 112017114742618-pat00037
와 축(220)과 구조물(290) 사이의 거리
Figure 112017114742618-pat00038
를 이용하여 위치에너지 계산을 위한
Figure 112017114742618-pat00039
를 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
Figure 112017114742618-pat00040
본 발명에 따르면, 마찰 대전 발전기에 에너지 소스로 입력되는 진동 에너지를 정량화할 수 있어, 마찰 대전 발전기의 효율을 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 마찰 대전 발전기에 에너지 소스로 입력되는 진동 에너지를 정량화할 수 있어, 마찰 대전 발전기의 효율을 정확하게 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치로서,
    지면에 대해 수평방향으로 위치한 고정체,
    일단은 상기 고정체에 고정되고 타단은 자유운동하며, 지면에 대해 수직방향으로 위치한 축,
    상기 타단의 끝점에 고정되고, 지면에 대해 수평방향으로 위치한 지지대,
    상기 지지대 상에 위치하고 상기 지지대의 양 끝단에 고정된 한 쌍의 측면 고정부,
    상기 지지대 상에 위치하고 상기 지지대의 중앙에 위치하여, 상기 한 쌍의 측면 고정부에 의해 고정된 이동축에 삽입된 스프링의 탄성에 의해 좌우로 진동 운동하는 중앙 고정부,
    상기 측면 고정부의 내측에 각각 부착된 제1 마찰 전극,
    상기 중앙 고정부의 양측에 각각 부착되고, 상기 제1 마찰 전극과 서로 다른 전하로 대전된 제2 마찰 전극, 그리고
    상기 축으로부터 일정 거리에 이격하여 위치하고, 상기 중앙 고정부에 추가적인 진동 운동을 수행하게 하는 구조체를 포함하며,
    상기 제1 마찰 전극 및 상기 제2 마찰 전극은 외력에 의해 상기 지지대의 상기 스프링에 따라 상기 중앙 고정부가 좌우로 진동 운동하고 상기 구조체에 의해 상기 지지대의 상기 중앙 고정부에 추가적인 진동 운동이 수행됨에 따라, 마주보는 마찰 전극들 간에 서로 접촉하고 분리되어 전기 에너지를 발생시키며,
    발전 효율은 상기 지지대에 가해지는 외력에 의해 발생하는 진동 에너지와, 상기 지지대가 진동 운동을 시작하여 진동 운동이 완전히 멈추는 시간까지 상기 제1 마찰 전극과 제2 마찰 전극이 서로 접촉하고 분리됨에 따라 발생하는 전기 에너지에 의해 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 진동 에너지는
    상기 외력 및 상기 제1 마찰 전극 및 상기 제2 마찰 전극의 위치 에너지에 의해 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 위치 에너지는
    상기 제1 마찰 전극 및 상기 제2 마찰 전극의 질량, 중력가속도 및 상기 외력에 의해 상기 축이 휘어졌을 때 상기 축과 상기 고정체 사이의 각도에 의해 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 각도는 상기 구조물의 높이와 상기 축과 상기 구조물 사이의 거리를 이용하여 결정되는 마찰 대전으로 인한 발전 효율을 측정하는 장치.
KR1020170154238A 2017-11-17 2017-11-17 마찰 대전 발전기의 효율을 측정하는 장치 KR101971593B1 (ko)

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