KR102150189B1 - 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

Abstract

자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 및 제1극 및 제2극의 방향이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 상기 플레이트에 배치되는 자석을 포함한다.

Description

자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HARVESTING APPARATUS USING MAGNET}

본 발명은 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.

근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.

이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전체를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전체는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 또한 압전체는, 폴리머를 이용하여 필름 형태로 유연하게 제조될 수도 있다.

압전체를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 기계적 에너지를 제공받을 수 있는 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 자기장을 기계적 에너지로 활용하는 연구가 진행되고 있다.

관련 선행문헌으로 대한민국 공개특허 제2016-0076700호가 있다.

본 발명은 자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.

특히, 본 발명은 에너지 하베스팅 장치의 자석에 인가되는 로렌츠의 힘을 증가시켜 발전 효율이 증가된 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 및 제1극 및 제2극의 방향이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 상기 플레이트에 배치되는 자석을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 플레이트; 상기 플레이트의 일면 또는 타면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 및 제1극 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 수직이 되도록 상기 플레이트에 배치되는 자석을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 에너지 하베스팅 장치의 자석에 인가되는 로렌츠의 힘이 증가될 수 있도록 자석을 배치함으로써, 발전 효율이 증가할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 자석에 인가되는 로렌츠의 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 시뮬레이션에 이용되는 에너지 하베스팅 장치의 일예를 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 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 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치의 측면을 도시하는 도면이며, 도 2는 상부에서 바라본 에너지 하베스팅 장치를 도시하는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 플레이트(110), 압전 소자(120), 지지부(130) 및 자석(140)을 포함한다.

압전 소자(120)는 플레이트의 일면(111) 또는 타면(112)에 배치되며, 실시예에 따라서 플레이트의 일면(111) 및 타면(112) 모두에 배치될 수 있다. 플레이트(110)는 탄성력을 가진 재질일 수 있으며, 예컨대 금속성의 재질일 수 있다.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 외팔보 타입의 하베스팅 장치로서, 지지부(130)는 플레이트(110)의 일단에 결합되어 플레이트(110)를 지지한다.

자석(140)은, 플레이트(110)에 배치되며, 추후 설명되는 로렌츠의 힘에 의해 진동한다. 그리고 진동하는 자석(140)에 의해 자석(140)과 결합된 플레이트(110)도 진동할 수 있다. 자석의 배치 위치에 제한은 없으나, 자석(140)은 플레이트(110)의 변위를 증가시키는 방향으로 플레이트(110)에 배치되는 것이 바람직하며, 일실시예로서 도 1에 도시된 바와 같이 플레이트(110)의 타단에 결합될 수 있다.

자석(140)은 제1극 및 제2극의 방향이 서로 반대 방향을 향하며, 제1극 및 제2극의 방향이 플레이트(110)의 길이 방향(113)에 평행하도록 플레이트(110)에 배치된다. 도 1 및 도 2에는 제1극으로서 N극이 파워 케이블(150)을 향하도록 배치된 실시예가 도시되나, 실시예에 따라서 S극인 제1극이 파워 케이블(150)을 향하도록 배치될 수도 있다.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 로렌츠의 힘에 의해 자석을 진동시키기 위해, 파워 케이블과 같이 전자기장이 생성되는 지역에서 이용될 수 있다. 전술된 바와 같이 진동하는 자석에 의해 플레이트가 진동하면서 휘어질 수 있으며, 압전 소자도 함께 휘어지면서 전력 에너지가 생성될 수 있다.

이 때, 자석(140)에 인가되는 로렌츠의 힘을 증가시키기 위해, 플레이트(110)는 타단이 파워 케이블(150)을 향하며, 폭 방향(114)이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 평행하도록 배치될 수 있다.

또한 플레이트(110)의 길이 방향(113)이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 수직이 되도록, 플레이트(110)가 배치될 때, 자석(140)에 인가되는 로렌츠의 힘은 더욱 커질 수 있다. 다시 말해, 파워 케이블(150) 주변에 원형으로 형성되는 자기장의 접선 방향에 자석(140)의 제1극 및 제2극의 방향이 수직이 되도록, 플레이트(110)가 배치될 때, 자석(140)에 인가되는 로렌츠의 힘은 더욱 커질 수 있다.

파워 케이블에 교류 전류가 흐를 경우, 전류가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌면서 자석에 인가되는 로렌츠의 힘의 방향 역시 주기적으로 바뀌므로, 자석 역시 지속적으로 진동할 수 있다.

도 3은 자석에 인가되는 로렌츠의 힘을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3(a)는 도 4와 같이 자석의 극성이 배치된 경우의 자기장에 대한 시뮬레이션 결과(Type 1)를 나타내며, 도 3(b)는 도 1과 같이 자석의 극성이 배치된 경우의 자기장에 대한 시뮬레이션 결과(Type 2)를 나타낸다.

도 3에서 화살표는 자석에 의해 형성되는 자기장의 방향을 나타내며, 실선은 자속 밀도를 나타낸다. 도 3(a)의 경우 자석(440)을 기준으로 좌우의 자속 밀도에 차이가 크게 발생하며, 좌측 자속 밀도가 우측 자속 밀도가 크다. 도 3(b)의 경우 자석(140)을 기준으로 상하의 자속 밀도에 차이가 크게 발생하며, 상측 자속 밀도가 하측 자속 밀도보다 크다. 로렌츠의 힘은 자속 밀도에 차이가 나는 방향으로 작용하기 때문에, 도 3(a)의 경우 x축 방향의 로렌츠의 힘이 크게 작용하며 도 3(b)의 경우 y축 방향의 로렌츠의 힘이 크게 작용한다.

플레이트의 길이 방향이 x축 방향이기 때문에, y축 방향으로 큰 힘이 작용해야 플레이트가 많이 휘어지면서 발전 효율이 증가할 수 있으며, 따라서 도 4 보다는 도 1과 같이 자석이 배치된 경우에 발전 효율이 증가할 수 있다.

[표 1]은 y축 방향으로 자석에 인가되는 로렌츠의 힘을 나타낸다.

[표 1]과 같이, 도 1의 자석에 인가되는 로렌츠의 힘이 도 4의 경우와 비교하여 약 10⁴배 큰 것을 알 수 있다.

결국, 본 발명에 따르면, 자석에 인가되는 로렌츠의 힘이 증가하여 발전 효율이 증가할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.

파워 케이블의 배치 상태나 에너지 하베스팅 장치의 설치 환경에 따라서, 자석(140)이 결합된 플레이트 타단이 파워 케이블(150)을 향하게 배치되더라도 도 5에 도시된 바와 같이, 플레이트의 길이 방향(113)은 파워 케이블의 길이 방향(151)에 수직이 되지 않거나, 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 플레이트의 폭 방향(114)은 파워 케이블의 길이 방향(151)에 평행하지 않도록 에너지 하베스팅 장치가 파워 케이블 주변에 배치될 수도 있다.

이와 같이, 에너지 하베스팅 장치가 파워 케이블 주변에 배치되더라도, 자석이 제1극 및 제2극의 방향이 서로 반대 방향을 향하며, 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 플레이트에 배치되는 경우에는 도 4와 비교하여 플레이트의 y축 방향으로 보다 많은 로렌츠의 힘이 인가되기 때문에, 높은 발전 효율로 하베스팅이 수행될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치의 측면을 도시하는 도면이며, 도 8은 상부에서 바라본 에너지 하베스팅 장치를 도시하는 도면이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 플레이트(710), 압전 소자(720), 지지부(730) 및 자석(740)을 포함한다.

압전 소자(720)는 플레이트의 일면(711) 또는 타면(712)에 배치되며, 실시예에 따라서 플레이트의 일면(711) 및 타면(712) 모두에 배치될 수 있다. 플레이트(710)는 탄성력을 가진 재질일 수 있으며, 예컨대 금속성의 재질일 수 있다.

본 발명에 따른 에너지 하베스팅 장치는 외팔보 타입의 하베스팅 장치로서, 지지부(730)는 플레이트(710)의 일단에 결합되어 플레이트(710)를 지지한다.

자석(740)은, 플레이트(710)에 배치되며, 추후 설명되는 로렌츠의 힘에 의해 진동한다. 그리고 진동하는 자석(740)에 의해 자석(740)과 결합된 플레이트(710)도 진동할 수 있다. 자석의 배치 위치에 제한은 없으나, 자석(740)은 플레이트(710)의 변위를 증가시키는 방향으로 플레이트(710)에 배치되는 것이 바람직하며, 일실시예로서 도 7에 도시된 바와 같이 플레이트(710)의 타단에 결합될 수 있다.

다만, 도 7의 실시예에서의 자석(140)은 도 1에서의 실시예와 달리, 제1극 및 제2극의 방향이 플레이트(710)의 길이 방향(713)에 수직이 되도록 플레이트(710)에 배치된다. 도 7에는 제1극으로서 N극이 플레이트의 일면(711)에 접촉된 실시예가 도시되나, 실시예에 따라서 S극인 제1극이 플레이트의 일면에 접촉되도록 배치될 수도 있다.

도 7에 도시된 에너지 하베스팅 장치 역시, 로렌츠의 힘에 의해 자석을 진동시키기 위해, 파워 케이블과 같이 전자기장이 생성되는 지역에서 이용될 수 있다. 전술된 바와 같이 진동하는 자석에 의해 플레이트가 진동하면서 휘어질 수 있으며, 압전 소자도 함께 휘어지면서 전력 에너지가 생성될 수 있다.

자석(740)에 인가되는 로렌츠의 힘을 증가시키기 위해, 플레이트(710)는 타면(712)이 파워 케이블(150)을 향하며, 폭 방향(714)이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 평행하도록 배치될 수 있다.

또한 자석(740)의 제1극 및 제2극의 방향이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 수직이 되도록 배치될 때, 자석(740)에 인가되는 로렌츠의 힘은 더욱 커질 수 있다. 다시 말해, 파워 케이블(150) 주변에 원형으로 형성되는 자기장의 접선 방향에 자석(740)의 제1극 및 제2극의 방향이 수직이 되도록, 플레이트(710)가 배치될 때, 자석(740)에 인가되는 로렌츠의 힘은 더욱 커질 수 있다.

파워 케이블에 교류 전류가 흐를 경우, 전류가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌면서 자석에 인가되는 로렌츠의 힘의 방향 역시 주기적으로 바뀌므로, 자석 역시 지속적으로 진동할 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. 플레이트;
   상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자;
   상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 및
   제1극 및 제2극의 방향이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 상기 플레이트에 배치되는 자석을 포함하며,
   상기 플레이트는
   타단이 파워 케이블을 향하고, 폭 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 평행하도록 배치되며, 상기 플레이트의 길이 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 수직이 되도록 배치되는
   자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 파워 케이블은
   교류 전류가 흐르는 파워 케이블인
   자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 자석은
   상기 플레이트의 타단에 결합되는
   자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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