KR102187575B1 - Piezoelectric energy harvesting apparatus using driving wind and vehicle including the same - Google Patents

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Abstract

차량 주행시 차체 표면을 스치는 주행풍에 의해 압전폴리머 박판을 플러터(flutter) 형태로 진동시켜 높은 효율로 전기 에너지를 발생하는 일 면(single surface) 가진 압전 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는 차량에 장착되어 차량의 주행에 따른 풍압에 의해 전기를 발생하는 압전 에너지 하베스팅 장치에 있어서, 상기 차량의 차체 표면에 장착되고, 상기 차량의 주행시 상기 차체의 표면을 스치는 주행풍의 방향과 나란하게 배치되고, 제1 면에 작용하는 상기 주행풍의 풍압에 의해 플러터(flutter) 형태로 진동하는 압전폴리머 박판; 상기 압전폴리머 박판의 변들 중 적어도 두 변이 고정되고, 상기 압전폴리머 박판의 중심부와 마주보는 면에 상기 압전폴리머 박판의 진동 및 상기 주행풍의 유동을 허용하는 홈부를 가지는 고정판; 및 상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면과 반대측의 제2 면에 마련되고, 상기 압전폴리머 박판의 진동 진폭 이상의 깊이의 공동을 가지는 함체를 포함한다.Disclosed is a piezoelectric energy harvesting device having a single surface for generating electric energy with high efficiency by vibrating a piezoelectric polymer thin plate in a flutter form by a running wind that passes through a vehicle body surface when driving a vehicle. A piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention is a piezoelectric energy harvesting device that is mounted on a vehicle to generate electricity by wind pressure according to the driving of the vehicle, and is mounted on the vehicle body surface of the vehicle, and when the vehicle is running A piezoelectric polymer thin plate arranged in parallel with the direction of the running wind passing through the surface of the vehicle body and vibrating in a flutter form by the wind pressure of the running wind acting on the first surface; At least two of the sides of the piezoelectric polymer thin plate are fixed, and a fixing plate having a groove on a surface facing the center of the piezoelectric polymer thin plate to allow the vibration of the piezoelectric polymer thin plate and the flow of the traveling wind; And an enclosure provided on a second surface of the piezoelectric polymer thin plate opposite to the first surface, and having a cavity having a depth equal to or greater than the vibration amplitude of the piezoelectric polymer thin plate.

Description

주행풍을 이용하는 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 차량{Piezoelectric energy harvesting apparatus using driving wind and vehicle including the same}Piezoelectric energy harvesting apparatus using driving wind and vehicle including the same

본 발명은 주행풍을 이용하는 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차체 표면을 스치는 주행풍에 의해 압전폴리머 박판을 플러터(flutter) 형태로 진동시켜 전기 에너지를 발생하는 일 면(single surface) 가진 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric energy harvesting device using a running wind and a vehicle including the same, and more particularly, to generate electric energy by vibrating a piezoelectric polymer thin plate in a flutter form by a running wind that passes through the vehicle body surface. It relates to a piezoelectric energy harvesting device having a single surface and a vehicle including the same.

에너지 하베스팅(발전) 기술은 새로운 형태의 신재생 에너지 기술로써 크게 각광받고 있다. 일반적으로 에너지 하베스팅은 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 태양광, 자기력, 진동, 열과 같은 천연 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 천연 에너지는 비록 에너지 밀도는 크지 않지만 총량을 모으면 상당한 에너지원으로 사용 가능하며 자연으로부터 쉽게 얻을 수 있고 환경오염 문제도 없으며 일상에서 버려지는 에너지를 사용하기 때문에 효율적이고 응용 가능성이 크다.Energy harvesting (power generation) technology is receiving great attention as a new type of renewable energy technology. In general, energy harvesting is a technology that converts natural energy such as sunlight, magnetic force, vibration, and heat that can be easily obtained from nature into electrical energy. Natural energy, although its energy density is not large, can be used as a considerable energy source when the total amount is collected, it can be easily obtained from nature, has no environmental pollution problem, and uses energy that is discarded in daily life, so it is efficient and has great application potential.

전기 모터나 쉐이커(Shaker)로 진동을 가하여 전기를 발생시키는 압전 재료 및 압전 에너지 하베스터에 대한 다양한 연구가 시도되어 왔으나, 진동원으로 자동차의 풍압을 이용하는 연구는 부족하였으며 실용화 된 경우도 없었다. 또한, 종래의 압전 에너지 하베스터는 주로 에어컨 실외기, 엔진, 교량, 발바닥 등의 주기적으로 변하는 압력이나 진동을 이용하여 적은 양의 전기를 발생시키는 기술로, 발생 가능한 전력 밀도가 수백 uW/cm3 이하의 낮은 수준에 머무르고 있다. 특허문헌 1(대한민국 등록특허공보 10-1638482, 2016년 07월 11일 공고)에는 와류진동을 이용한 압전 외팔보 발전장치가 개시되어 있다.Various studies have been attempted on piezoelectric materials and piezoelectric energy harvesters that generate electricity by applying vibrations with electric motors or shakers, but studies using wind pressure of automobiles as vibration sources have been insufficient and have not been put into practice. In addition, conventional piezoelectric energy harvester is mainly air-conditioning outdoor unit, an engine, a bridge, a technique for generating a periodically small amounts of electricity using a pressure or vibration that varies with such sole, the possible power density is hundreds of uW / cm 3 or less Staying at a low level. Patent Document 1 (Korean Registered Patent Publication 10-1638482, announced on July 11, 2016) discloses a piezoelectric cantilever power generation device using eddy current vibration.

KRKR 10-163848210-1638482 B1B1

본 발명은 차량 주행시 차체 표면을 스치는 주행풍에 의해 압전폴리머 박판을 플러터(flutter) 형태로 진동시켜 높은 효율로 전기 에너지를 발생하는 일 면(single surface) 가진 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 차량을 제공하기 위한 것이다.The present invention is a piezoelectric energy harvesting device having a single surface that generates electric energy with high efficiency by vibrating a piezoelectric polymer thin plate in a flutter form by a running wind that passes through the vehicle body surface when driving a vehicle, and a vehicle including the same It is to provide.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above. Other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

본 발명의 일 측면에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는, 차량에 장착되어 상기 차량의 주행에 따른 풍압에 의해 전기를 발생하는 압전 에너지 하베스팅 장치에 있어서, 상기 차량의 차체 표면에 장착되고, 상기 차량의 주행시 상기 차체의 표면을 스치는 주행풍의 방향과 나란하게 배치되고, 제1 면에 작용하는 상기 주행풍의 풍압에 의해 플러터(flutter) 형태로 진동하는 압전폴리머 박판; 상기 압전폴리머 박판의 변들 중 적어도 두 변이 고정되고, 상기 압전폴리머 박판의 중심부와 마주보는 면에 상기 압전폴리머 박판의 진동 및 상기 주행풍의 유동을 허용하는 홈부를 가지는 고정판; 및 상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면과 반대측의 제2 면에 마련되고, 상기 압전폴리머 박판의 진동 진폭 이상의 깊이의 공동을 가지는 함체를 포함한다.A piezoelectric energy harvesting device according to an aspect of the present invention is a piezoelectric energy harvesting device that is mounted on a vehicle to generate electricity by wind pressure according to the driving of the vehicle, and is mounted on a vehicle body surface of the vehicle, and A piezoelectric polymer thin plate arranged in parallel with the direction of the driving wind passing through the surface of the vehicle body and vibrating in a flutter form by the wind pressure of the driving wind acting on the first surface of the vehicle; At least two of the sides of the piezoelectric polymer thin plate are fixed, and a fixing plate having a groove on a surface facing the center of the piezoelectric polymer thin plate to allow the vibration of the piezoelectric polymer thin plate and the flow of the traveling wind; And an enclosure provided on a second surface of the piezoelectric polymer thin plate opposite to the first surface, and having a cavity having a depth equal to or greater than the vibration amplitude of the piezoelectric polymer thin plate.

상기 압전폴리머 박판의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 두 변은 상기 고정판에 고정되고, 상기 주행풍의 방향과 수직하게 대향하는 두 변은 상기 고정판에 고정되지 않을 수 있다. 상기 압전폴리머 박판은, 상기 주행풍의 방향과 나란하게 상기 고정판에 고정되는 두 변의 길이보다, 상기 고정판에 고정되지 않은 두 변의 길이가 길게 형성될 수 있다. 상기 압전폴리머 박판은 이소불화비닐(PVDF; Polyvinylidene fluoride) 압전필름을 포함할 수 있다.Of the four sides of the piezoelectric polymer thin plate, two sides that face parallel to the direction of the driving wind may be fixed to the fixing plate, and two sides that face perpendicular to the direction of the driving wind may not be fixed to the fixing plate. The piezoelectric polymer thin plate may have two sides that are not fixed to the fixed plate longer than two sides fixed to the fixed plate in parallel with the direction of the driving wind. The piezoelectric polymer thin plate may include a polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film.

상기 고정판은 상기 홈부의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 나란한 두 변의 길이보다, 상기 주행풍의 방향과 수직한 두 변의 길이가 길게 형성될 수 있다. 상기 고정판은 상기 홈부의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 나란한 두 변의 길이가 상기 압전폴리머 박판의 상기 주행풍의 방향과 나란한 두 변의 길이와 같고, 상기 홈부의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 수직한 두 변의 길이는 상기 압전폴리머 박판의 상기 주행풍의 방향과 수직한 두 변의 길이보다 짧을 수 있다.The fixing plate may be formed to have a length of two sides perpendicular to the direction of the running wind than two sides of the four sides of the groove portion parallel to the direction of the running wind. The fixing plate has a length of two sides parallel to the direction of the running wind among the four sides of the groove part, and two sides of the piezoelectric polymer thin plate parallel to the direction of the running wind are the same, and two sides of the groove part are perpendicular to the direction of the running wind. The length of the sides may be shorter than the length of two sides perpendicular to the direction of the running wind of the piezoelectric polymer thin plate.

상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면으로만 상기 주행풍의 풍압이 작용되게 하고 상기 제2 면으로는 상기 주행풍의 풍압이 작용하지 않도록, 상기 함체는 상기 차체의 표면에 매립식으로 설치될 수 있다.In order to allow the wind pressure of the traveling wind to act only on the first surface of the piezoelectric polymer thin plate and prevent the wind pressure of the traveling wind from acting on the second surface, the enclosure may be installed in a buried manner on the surface of the vehicle body.

본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치는 상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면에 전기적으로 연결되는 제1 전기선과, 상기 압전폴리머 박판의 상기 제2 면에 전기적으로 연결되는 제2 전기선과, 상기 주행풍에 의한 상기 압전폴리머 박판의 플러터 형태 진동에 따라 상기 제1 전기선 및 상기 제2 전기선 간에 발생하는 전압을 이용하여 상기 차량의 배터리를 충전하는 충전부를 더 포함할 수 있다.The piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention includes a first electric wire electrically connected to the first surface of the piezoelectric polymer thin plate, a second electric wire electrically connected to the second surface of the piezoelectric polymer thin plate, and And a charging unit for charging the battery of the vehicle using a voltage generated between the first electric line and the second electric line according to the flutter-shaped vibration of the piezoelectric polymer thin plate by the running wind.

일 실시예에서, 상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면에 상기 주행풍의 유동을 일으키는 돌기들 또는 홈들을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 압전폴리머 박판은 상기 주행풍에 유동을 일으키도록 상기 주행풍의 방향을 따라 두께가 변화할 수 있다. 상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면이 상기 주행풍의 방향을 기준으로 오목면 또는 볼록면으로 형성되거나, 상기 주행풍의 방향을 따라 두께가 점차 감소하거나 증가하도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the piezoelectric polymer thin plate may have protrusions or grooves on the first surface that cause the running wind to flow. In another embodiment, the piezoelectric polymer thin plate may change in thickness along the direction of the running wind so as to cause a flow in the running wind. The piezoelectric polymer thin plate may be formed such that the first surface has a concave surface or a convex surface based on the direction of the driving wind, or a thickness gradually decreases or increases along the direction of the driving wind.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 압전 에너지 하베스팅 장치가 차체에 장착된 차량이 제공된다. 차량은 자동차, 기차, 선박 또는 비행기를 포함할 수 있다. 상기 압전 에너지 하베스팅 장치는 자동차의 범퍼 주변, 측면 및 상부 중 적어도 하나의 위치에 장착될 수 있다.According to another aspect of the present invention, a vehicle in which the piezoelectric energy harvesting device is mounted on a vehicle body is provided. Vehicles may include cars, trains, ships or airplanes. The piezoelectric energy harvesting device may be mounted at at least one of a bumper, a side surface, and an upper portion of the vehicle.

본 발명의 실시예에 의하면, 차량 주행시 차체 표면을 스치는 주행풍에 의해 압전폴리머 박판을 플러터(flutter) 형태로 진동시켜 높은 효율로 전기 에너지를 발생하는 일 면(single surface) 가진 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 포함하는 차량이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a piezoelectric energy harvesting device having a single surface generating electric energy with high efficiency by vibrating a piezoelectric polymer thin plate in a flutter form by a running wind that passes through the vehicle body surface when driving a vehicle. And a vehicle including the same.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effect of the present invention is not limited to the above-described effects. Effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the present specification and the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치가 장착된 차량의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 동작을 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판과 함체의 예시도이다.
도 8 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치 및 그 출력 전력 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 사시도이다.
도 17은 도 16에 도시된 'A'부를 확대한 단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 사시도이다.
도 19는 도 18에 도시된 'B'부를 확대한 단면도이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 단면도이다.1 is an exemplary view of a vehicle equipped with a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
4 is an exploded perspective view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view showing an operation of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
6 is an exemplary diagram of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
7 is an exemplary view of a piezoelectric polymer thin plate and a housing constituting a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
8 to 15 are diagrams showing piezoelectric energy harvesting devices and output power measurement results according to various embodiments of the present disclosure.
16 is a perspective view of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
17 is an enlarged cross-sectional view of portion'A' shown in FIG. 16.
18 is a perspective view of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to another embodiment of the present invention.
19 is an enlarged cross-sectional view of a portion'B' shown in FIG. 18.
20 to 23 are cross-sectional views of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting apparatus according to still other various embodiments of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.Other advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to embodiments to be described later in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Even if not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by universal technology in the prior art to which this invention belongs. General descriptions of known configurations may be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention. In the drawings of the present invention, the same reference numerals are used as much as possible for the same or corresponding configurations. In order to help the understanding of the present invention, some configurations in the drawings may be somewhat exaggerated or reduced.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise", "have" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification. It is to be understood that the possibility of the presence or addition of other features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, or any further features, is not excluded in advance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치가 장착된 차량의 예시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 분해 사시도이다.1 is an exemplary view of a vehicle equipped with a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. 2 is a perspective view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. 4 is an exploded perspective view of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 차량(10)에 장착되어 차량(10)의 주행시 차체 표면을 스치는 주행풍의 풍압을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 도 1에는 압전 에너지 하베스팅 장치(100)가 자동차에 설치된 예가 도시되어 있으나, 본 명세서에서 차량은 동력에 의해 고속으로 이동 가능한 이동체를 의미하며, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 2륜/4륜 등의 자동차 이외에도, 선박, 기차, 비행기 등과 같은 차량에 장착되어 전기에너지를 발생시킬 수도 있다. 본 명세서에서 주행풍은 자동차 주행시에 발생하는 바람으로 제한되지 않고, 기차의 주행풍, 선박의 항해풍, 비행기의 비행풍 등과 같이 차량의 주행에 의해 발생하는 바람을 포괄하는 의미이다.1 to 4, the piezoelectric energy harvesting device 100 according to an embodiment of the present invention is mounted on the vehicle 10 and uses the wind pressure of the running wind that passes through the vehicle body surface when the vehicle 10 is driving. Can be created. 1 shows an example in which the piezoelectric energy harvesting device 100 is installed in a vehicle, but in the present specification, the vehicle refers to a moving body that can move at high speed by power, and the piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention ( 100) may generate electric energy by being installed in vehicles such as ships, trains, and airplanes in addition to vehicles such as two/four wheels. In the present specification, the driving wind is not limited to the wind generated during driving of a vehicle, but refers to wind generated by the driving of a vehicle, such as a driving wind of a train, a sailing wind of a ship, and a flying wind of an airplane.

도 1에는 자동차의 주행시 범퍼 하부로 빠르게 흐르는 주행풍으로부터 전기에너지를 발생시키기 위하여 압전 에너지 하베스팅 장치(100)가 자동차의 범퍼 하부에 설치된 예가 도시되어 있으나, 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 차량의 범퍼 측면 등의 범퍼 주변, 차량의 측면 및 상부(지붕) 등과 같이 차량의 고속 주행시 차체 표면을 따라 강한 주행풍이 형성될 수 있고 부착면과 평행한 공기 유동이 발생할 수 있는 위치라면 특별한 제한 없이 해당 위치에 장착되어 전기에너지를 발생할 수 있다.FIG. 1 shows an example in which a piezoelectric energy harvesting device 100 is installed under the bumper of a vehicle to generate electric energy from a running wind that rapidly flows under the bumper when the vehicle is running, but the piezoelectric energy harvesting device 100 is a vehicle If a strong running wind can be formed along the vehicle body surface during high-speed driving of the vehicle, such as around the bumper such as the side of the bumper on the side of the vehicle, and the side of the vehicle and the top (roof), etc. It can be mounted in position to generate electrical energy.

본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 차량(10)의 주행시 발생하는 주행풍으로부터 높은 효율로 전기에너지를 발생시키기 위하여, 고정판(110), 압전폴리머 박판(120) 및 함체(130)를 포함할 수 있다. 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 차량(10)의 차체 표면에 가공된 사각 형상의 장착홈에 매립되어 설치될 수 있다.The piezoelectric energy harvesting device 100 according to the embodiment of the present invention is a fixed plate 110, a piezoelectric polymer thin plate 120 and an enclosure in order to generate electric energy with high efficiency from the running wind generated when the vehicle 10 is running. It may include (130). The piezoelectric energy harvesting device 100 may be installed by being embedded in a rectangular mounting groove processed on the vehicle body surface of the vehicle 10.

고정판(110)은 압전폴리머 박판(120)의 고정 및 지지를 위하여 제공되는 것으로, 차량(10)의 차체 표면과 나란하게 장착되는 판 형상으로 형성될 수 있다. 실시예에서, 고정판(110)은 사각 형상의 평판으로 제공될 수 있다. 이하에서, 주행풍(W)의 방향을 제1 방향(X)이라 하고, 차량(10)의 차체 표면과 나란한 평면 상에서 제1 방향(X)과 수직한 방향을 제2 방향(Y)이라 하고, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)과 모두 수직한 방향을 제3 방향(Z)이라 하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.The fixing plate 110 is provided for fixing and supporting the piezoelectric polymer thin plate 120 and may be formed in a plate shape that is mounted parallel to the vehicle body surface of the vehicle 10. In an embodiment, the fixing plate 110 may be provided as a rectangular plate. Hereinafter, the direction of the running wind W is referred to as the first direction X, and the direction perpendicular to the first direction X on a plane parallel to the body surface of the vehicle 10 is referred to as the second direction Y. , A direction perpendicular to both the first direction X and the second direction Y is referred to as the third direction Z, and an embodiment of the present invention will be described.

압전폴리머 박판(120)은 적어도 두 변이 고정판(110)에 고정되어 차량(10)의 차체 표면과 나란하게 장착될 수 있다. 압전폴리머 박판(120)은 차량(10)의 주행시 차체 표면을 스치는 주행풍의 방향과 나란하도록 배치될 수 있다. 실시예에서, 압전폴리머 박판(120)은 판 면이 제3 방향(Z)과 수직하도록 차량(10)에 장착될 수 있다.At least two sides of the piezoelectric polymer thin plate 120 may be fixed to the fixing plate 110 and mounted in parallel with the vehicle body surface of the vehicle 10. The piezoelectric polymer thin plate 120 may be arranged to be parallel to the direction of the driving wind passing through the vehicle body surface when the vehicle 10 is driven. In an embodiment, the piezoelectric polymer thin plate 120 may be mounted on the vehicle 10 such that the plate surface is perpendicular to the third direction Z.

압전폴리머 박판(120)은 접착(부착), 볼팅, 열압착 등의 다양한 방법으로 고정판(110)에 설치될 수 있으며, 압전폴리머 박판(120)을 고정판(110)에 고정하는 방법은 예시된 방법으로 제한되지 않는다. 압전폴리머 박판(120)을 고정판(110)의 내측면에 부착시키는 것은 강한 주행풍에 의해 압전폴리머 박판(120)이 고정판(110)에서 분리되는 것을 방지하는데 효과적일 수 있다. 압전폴리머 박판(120)을 고정판(110)의 외측면에 부착하는 것도 가능하다.The piezoelectric polymer thin plate 120 may be installed on the fixing plate 110 by various methods such as bonding (attachment), bolting, and thermocompression, and the method of fixing the piezoelectric polymer thin plate 120 to the fixing plate 110 is an exemplary method. Is not limited to. Attaching the piezoelectric polymer thin plate 120 to the inner surface of the fixing plate 110 may be effective in preventing the piezoelectric polymer thin plate 120 from being separated from the fixing plate 110 by a strong running wind. It is also possible to attach the piezoelectric polymer thin plate 120 to the outer surface of the fixing plate 110.

실시예에서, 압전폴리머 박판(120)은 진동 변형에 따른 전기에너지 발생 효율이 높고, 유연하고 충격에 의해 잘 찢어지지 않는 고분자 압전재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면 이소불화비닐(PVDF; Polyvinylidene fluoride) 압전필름으로 제공될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.In an embodiment, the piezoelectric polymer thin plate 120 may be made of a polymeric piezoelectric material having high electrical energy generation efficiency due to vibrational deformation, flexible, and not easily torn by impact, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF). ) It may be provided as a piezoelectric film, but is not limited thereto.

플러터(flutter) 형태의 진동 변형에 따른 전기에너지 발생 효율 측면에서, 압전폴리머 박판(120)은 수 mm 두께 이하의 박막으로 제공될 수 있고, 예를 들어 5 mm 두께 이하, 바람직하게는 3 mm 이하의 두께를 가지는 박막으로 제공될 수 있다. 실시예에서, 압전폴리머 박판(120)은 네 변을 가지는 직사각형 박막으로 제공될 수 있다.In terms of electric energy generation efficiency due to vibrational deformation in the form of a flutter, the piezoelectric polymer thin plate 120 may be provided as a thin film having a thickness of several mm or less, for example, 5 mm or less, preferably 3 mm or less. It may be provided as a thin film having a thickness of. In an embodiment, the piezoelectric polymer thin plate 120 may be provided as a rectangular thin film having four sides.

실시예에서, 압전폴리머 박판(120)의 네 변 중 주행풍(W)의 방향과 나란한 제1 방향(X)으로 배치되어 양 측에 대향하는 두 변은 고정판(110)에 각각 고정되는 고정면(122, 124)으로 제공될 수 있다. 압전폴리머 박판(120)의 네 변 중 주행풍(W)의 방향과 수직한 제2 방향(Y)으로 배치되어 양 측에 대향하는 두 변(123a, 123b)은 고정판(110)에 고정되지 않을 수 있다.In an embodiment, of the four sides of the piezoelectric polymer thin plate 120, two sides of the piezoelectric polymer thin plate 120 are disposed in a first direction X parallel to the direction of the running wind W, and two sides facing each side are fixed surfaces respectively fixed to the fixed plate 110 (122, 124) may be provided. Of the four sides of the piezoelectric polymer thin plate 120, the two sides 123a and 123b that are arranged in the second direction Y perpendicular to the direction of the running wind W and face both sides are not fixed to the fixing plate 110. I can.

압전폴리머 박판(120)이 차량(10)의 주행풍에 의해 플러터(flutter) 형태로 잘 진동할 수 있도록 하기 위하여, 압전폴리머 박판(120)은 제1 방향(X)으로 고정판(110)에 고정되는 고정면(122, 124)의 길이보다, 제2 방향(Y)으로 배치되어 고정판(110)에 고정되지 않은 두 변(123a, 123b)의 길이가 길게 형성된 직사각 형상으로 제공될 수 있다.In order to allow the piezoelectric polymer thin plate 120 to vibrate well in a flutter form by the running wind of the vehicle 10, the piezoelectric polymer thin plate 120 is fixed to the fixing plate 110 in the first direction (X). The lengths of the two sides 123a and 123b that are disposed in the second direction Y and not fixed to the fixing plate 110 may be provided in a rectangular shape that is longer than the length of the fixing surfaces 122 and 124.

고정판(110)은 압전폴리머 박판(120)의 진동 및 주행풍(W)의 유동을 허용할 수 있도록, 압전폴리머 박판(120)의 중심부와 마주보는 면에 직사각형의 홈부(112)를 가질 수 있다. 압전폴리머 박판(120)이 고정판(110)의 홈부(112)를 통해 플러터(flutter) 형태로 잘 진동할 수 있도록 하기 위하여, 고정판(110)은 홈부(112)의 네 변(112a, 112b) 중 제2 방향(Y)으로 형성되는 두 변(112b)의 길이가 제1 방향(X)으로 형성되는 두 변(112a)의 길이보다 길게 형성될 수 있다.The fixing plate 110 may have a rectangular groove 112 on a surface facing the center of the piezoelectric polymer thin plate 120 so as to allow the vibration of the piezoelectric polymer thin plate 120 and the flow of the running wind W. . In order for the piezoelectric polymer thin plate 120 to vibrate well in a flutter form through the groove 112 of the fixing plate 110, the fixing plate 110 is among the four sides 112a and 112b of the groove 112 The lengths of the two sides 112b formed in the second direction Y may be longer than the lengths of the two sides 112a formed in the first direction X.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 동작을 보여주는 단면도이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 차량(10)의 주행시 발생하는 주행풍(W)의 풍압은 압전폴리머 박판(120)의 차량 외부를 향하는 제1 면(121a)에 작용하여 압전폴리머 박판(120)을 플러터(flutter) 형태로 진동시키게 된다.5 is a cross-sectional view showing an operation of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. 1 to 5, the wind pressure of the running wind W generated when the vehicle 10 is driven acts on the first surface 121a of the piezoelectric polymer sheet 120 toward the outside of the vehicle, and thus the piezoelectric polymer sheet 120 ) Is vibrated in the form of a flutter.

함체(130)는 압전폴리머 박판(120)이 차량(10)의 차체 표면 안쪽으로 진동할 수 있도록 내부에 비어 있는 공간인 공동(cavity)(132)을 갖는다. 압전폴리머 박판(120)은 공동(132) 위에 배치된다. 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로만 주행풍(W)의 풍압이 작용되게 하고 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)의 반대측 제2 면(121b)으로는 실질적으로 주행풍(W)의 풍압이 작용하지 않도록, 함체(130)는 차량(10)의 차체 표면에 매립식으로 설치될 수 있다.The enclosure 130 has a cavity 132 that is an empty space inside so that the piezoelectric polymer thin plate 120 can vibrate inside the vehicle body surface of the vehicle 10. The piezoelectric polymer thin plate 120 is disposed above the cavity 132. The wind pressure of the running wind W is applied only to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120, and the second surface 121b on the opposite side of the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 is substantially In order to prevent the wind pressure of the driving wind W from acting, the enclosure 130 may be installed in a buried manner on the vehicle body surface of the vehicle 10.

함체(130)는 압전폴리머 박판(120)의 제2 면(121b) 측에 대략 직육면체 박스 형상으로 마련될 수 있다. 함체(130) 내에 형성되는 공동(132)은 압전폴리머 박판(120)의 진동 진폭 이상의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다. 실시예에서, 함체(130)는 고정판(110)의 저면에 결합될 수 있다. 주행풍(W)이 함체(130) 내부의 공동(132)으로 유입되는 것을 차단하도록, 함체(130)의 주행풍(W)과 마주보는 전면은 고정판(110)과 간극이 없이 결합될 수 있다. 즉, 함체(130)는 주행풍(W)이 압전폴리머 박판(120)의 제2 면(121b)에 가해지는 것을 방지하도록 형성될 수 있다.The enclosure 130 may be provided in a substantially rectangular parallelepiped box shape on the side of the second surface 121b of the piezoelectric polymer thin plate 120. The cavity 132 formed in the enclosure 130 may be formed to have a depth greater than or equal to the vibration amplitude of the piezoelectric polymer thin plate 120. In an embodiment, the enclosure 130 may be coupled to the bottom surface of the fixing plate 110. In order to prevent the running wind W from flowing into the cavity 132 inside the enclosure 130, the front face of the enclosure 130 facing the running wind W may be combined with the fixing plate 110 without a gap. . That is, the enclosure 130 may be formed to prevent the running wind W from being applied to the second surface 121b of the piezoelectric polymer thin plate 120.

압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)과 제2 면(121b)에 모두 주행풍(W)이 가해지는 경우, 제1 면(121a)에 가해지는 주행풍의 풍압이 제2 면(121b)에 반대 방향으로 가해지는 주행풍의 풍압에 의해 일부 상쇄되어, 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동 효과가 감쇄될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 주행풍(W)의 풍압이 실질적으로 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에만 가해지는 일면(single surface) 가진에 의해 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동 효과를 극대화함으로써, 전기에너지 발생효율을 비약적으로 향상시킬 수 있다.When the running wind W is applied to both the first side 121a and the second side 121b of the piezoelectric polymer thin plate 120, the wind pressure of the running wind applied to the first side 121a is reduced to the second side 121b. ) Is partially offset by the wind pressure of the traveling wind applied in the opposite direction to the ), so that the flutter vibration effect of the piezoelectric polymer thin plate 120 may be attenuated. However, the piezoelectric energy harvesting apparatus 100 according to the embodiment of the present invention has a single surface in which the wind pressure of the running wind W is substantially applied only to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120. By maximizing the flutter vibration effect of the piezoelectric polymer thin plate 120, the electric energy generation efficiency can be dramatically improved.

실시예에서, 고정판(110)은 홈부(112)의 네 변(112a, 112b) 중 제1 방향(X)으로 형성되는 두 변(112a)의 길이는 압전폴리머 박판(120)의 고정면(122, 124)을 이루는 두 변의 길이와 같고, 홈부(112)의 네 변(112a, 112b) 중 제2 방향(Y)으로 형성되는 두 변(112b)의 길이는 압전폴리머 박판(120)의 제2 방향(Y)으로 형성되는 두 변(123a, 123b)의 길이보다 짧게 형성될 수 있다.In the embodiment, the fixing plate 110 has two sides 112a formed in the first direction X among the four sides 112a and 112b of the groove part 112. The length of the fixing surface 122 of the piezoelectric polymer thin plate 120 , 124 is the same as the length of the two sides, and the length of the two sides 112b formed in the second direction Y among the four sides 112a and 112b of the groove 112 is the second of the piezoelectric polymer thin plate 120 It may be formed shorter than the length of the two sides 123a and 123b formed in the direction Y.

고정판(110)의 홈부(112)의 짧은 변 길이가 압전폴리머 박판(120)의 짧은 변 길이 보다 클 경우, 홈부(112)와 압전폴리머 박판(120) 사이의 틈새로 주행풍(W)의 일부가 유입되어 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 가해지는 주행풍(W)의 압력이 감소할 수 있다. 반대로, 고정판(110)의 홈부(112)의 짧은 변 길이가 압전폴리머 박판(120)의 짧은 변 길이 보다 작을 경우, 압전폴리머 박판(120)이 고정판(110)의 홈부(112) 주변부에 간섭되어 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동에 방해요인으로 작용할 수 있다.When the short side length of the groove part 112 of the fixing plate 110 is larger than the short side length of the piezoelectric polymer thin plate 120, a part of the running wind W is formed as a gap between the groove part 112 and the piezoelectric polymer thin plate 120 The pressure of the running wind W applied to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 may be reduced by inflow. On the contrary, when the short side length of the groove part 112 of the fixing plate 110 is smaller than the short side length of the piezoelectric polymer thin plate 120, the piezoelectric polymer thin plate 120 interferes with the periphery of the groove part 112 of the fixing plate 110. It may act as a disturbing factor to the flutter vibration of the piezoelectric polymer thin plate 120.

본 발명의 실시예에 따라 고정판(110)의 홈부(112)의 짧은 변 길이와, 압전폴리머 박판(120)의 짧은 변 길이를 같게 하면, 고정판(110)의 홈부(112) 사이에 틈새가 없게 하여 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 가해지는 주행풍(W)의 풍압이 감소하는 것을 방지하는 동시에, 고정판(110)의 홈부(112) 주변부에 의해 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동이 방해되지 않도록 하여 발전 효율을 높일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, if the short side length of the groove part 112 of the fixing plate 110 and the short side length of the piezoelectric polymer thin plate 120 are the same, there is no gap between the groove part 112 of the fixing plate 110. This prevents a decrease in the wind pressure of the traveling wind W applied to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120, and at the same time, the piezoelectric polymer thin plate 120 is formed by the peripheral portion of the groove 112 of the fixing plate 110. It is possible to increase power generation efficiency by not disturbing the flutter vibration of

압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 차량(10)의 주행시 발생하는 주행풍에 따라 압전폴리머 박판(120)의 플러터 형태 진동에 의해 발생하는 전기를 이용하여 차량의 배터리를 충전하는 충전부(140)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 충전부(140)는 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 전기적으로 연결되는 제1 전기선(144)과, 압전폴리머 박판(120)의 제2 면(121b)에 전기적으로 연결되는 제2 전기선(142) 간에 발생하는 전압을 이용하여 차량(10)의 배터리를 충전할 수 있다. 실시예에서, 함체(130)의 측면에는 제1 전기선(144) 및 제2 전기선(142)을 충전부(140)로 인출하기 위한 인출홈(134)이 형성될 수 있다. 인출홈(134)은 함체(130)의 주행풍(W)과 마주보는 면을 제외한 다른 면에 형성될 수 있다.The piezoelectric energy harvesting device 100 includes a charging unit 140 that charges a vehicle battery using electricity generated by flutter-shaped vibration of the piezoelectric polymer thin plate 120 according to the running wind generated when the vehicle 10 is driving. Can include. In the embodiment, the charging unit 140 is electrically connected to the first electric wire 144 that is electrically connected to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 and the second surface 121b of the piezoelectric polymer thin plate 120. The battery of the vehicle 10 may be charged using a voltage generated between the second electric lines 142 connected to each other. In an embodiment, a lead-out groove 134 for leading the first electric wire 144 and the second electric wire 142 to the charging unit 140 may be formed on the side of the enclosure 130. The withdrawal groove 134 may be formed on a surface other than a surface of the enclosure 130 facing the running wind W.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치의 예시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판과 함체의 예시도이다. 도 6 및 도 7에 도시된 압전 에너지 하베스팅 장치(100)를 제작하여 발전 성능을 테스트한 결과, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압전 에너지 하베스팅 장치(100)는 18800 ㎼의 매우 높은 최대 출력 전력과, 65000 ㎼/cm3의 매우 높은 단위부피당 전력 밀도를 나타내는 것으로 측정되었다.6 is an exemplary diagram of a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. 7 is an exemplary view of a piezoelectric polymer thin plate and a housing constituting a piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention. As a result of testing the power generation performance by fabricating the piezoelectric energy harvesting device 100 shown in FIGS. 6 and 7, the piezoelectric energy harvesting device 100 manufactured according to the embodiment of the present invention has a very high maximum of 18800 ㎼. It was measured to show an output power and a very high power density per unit volume of 65000 kPa/cm 3 .

도 8 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치(a) 및 그 출력 전력 측정 결과(b)를 보여주는 도면이다. 도 8은 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120)의 좌변 및 우변만 고정면(122, 124)으로 한 경우이고, 도 9는 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120a)의 상변 및 하변만 고정면(122a, 124a)으로 한 경우이고, 도 10은 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120b)의 좌변 및 상변만 고정면(122b, 124b)으로 한 경우이고, 도 11은 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120c)의 좌변 및 하변만 고정면(122c, 124c)으로 한 경우이다.8 to 15 are diagrams showing a piezoelectric energy harvesting apparatus (a) and a result of measuring output power thereof (b) according to various embodiments of the present disclosure. 8 is a case in which only the left and right sides of the piezoelectric polymer thin plate 120 are set as the fixed surfaces 122 and 124 based on the wind direction of the running wind, and FIG. 9 is the upper side and the upper side of the piezoelectric polymer thin plate 120a based on the wind direction of the running wind. Only the lower side is set as the fixed surfaces 122a and 124a, and Fig. 10 is a case where only the left and upper sides of the piezoelectric polymer thin plate 120b are set as the fixed surfaces 122b and 124b based on the wind direction of the running wind, and Fig. 11 is This is the case in which only the left and lower sides of the piezoelectric polymer thin plate 120c are the fixed surfaces 122c and 124c based on the wind direction of the wind.

도 12는 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120d)의 좌변, 상변 및 하변만 고정면(122d, 124d, 126d)으로 한 경우이고, 도 13은 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120e)의 좌변, 우변 및 상변만 고정면(122e, 124e, 126e)으로 한 경우이고, 도 14는 주행풍의 풍향을 기준으로 압전폴리머 박판(120f)의 좌변, 우변 및 하변만 고정면(122f, 124f, 126f)으로 한 경우이고, 도 15는 압전폴리머 박판(120g)의 네 변 모두를 고정면(122g, 124g, 126g, 128g)으로 한 경우이다12 is a case in which only the left, upper and lower sides of the piezoelectric polymer thin plate 120d are set as the fixed surfaces 122d, 124d, 126d based on the wind direction of the running wind, and FIG. 13 is the piezoelectric polymer thin plate 120e based on the wind direction of the running wind. ), only the left, right and upper sides are fixed surfaces 122e, 124e, 126e, and FIG. 14 shows only the left, right and lower sides of the piezoelectric polymer thin plate 120f based on the wind direction of the running wind. , 126f), and FIG. 15 is a case in which all four sides of the piezoelectric polymer thin plate 120g are fixed surfaces (122g, 124g, 126g, 128g).

도 8 내지 도 15의 도시로부터, 주행풍의 방향을 기준으로 압전폴리머 박판(120)의 양측 두 변(좌변 및 우변)만을 고정면(122, 124)으로 하고, 나머지 두 변(상변 및 하변)은 고정하지 않은 도 8의 경우가 출력 전력이 가장 높은 것을 알 수 있다. 이는 주행풍의 방향을 기준으로 압전폴리머 박판(120)의 좌/우 양 변만 고정시킨 경우에 주행풍에 따른 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동 효과가 극대화될 수 있기 때문이다.8 to 15, based on the direction of the running wind, only the two sides (left and right sides) of the piezoelectric polymer thin plate 120 are fixed surfaces 122 and 124, and the other two sides (upper and lower sides) are It can be seen that the output power is the highest in the case of FIG. 8 which is not fixed. This is because when only the left and right sides of the piezoelectric polymer thin plate 120 are fixed based on the direction of the traveling wind, the flutter vibration effect of the piezoelectric polymer thin plate 120 according to the traveling wind can be maximized.

본 발명의 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치에 의하면, 차량의 고속 주행시 차량의 차체 표면을 스치는 주행풍의 풍압을 이용하여 압전폴리머 박판을 일면 가진에 의해 플러터 형태로 지속적으로 큰 변형(진동)을 일으켜 높은 전압 출력 및 높은 전력 밀도로 전기를 발생시킬 수 있다.According to the piezoelectric energy harvesting device according to an embodiment of the present invention, a large deformation (vibration) is continuously made in a flutter form by vibrating the piezoelectric polymer thin plate on one side by using the wind pressure of the running wind passing through the vehicle body surface when the vehicle is driving at high speed. Can generate electricity with high voltage output and high power density.

또한, 고효율, 고성능의 압전 에너지 하베스팅 장치(전기에너지 발생장치)를 이용하여 전기자동차 등의 차량의 배터리를 지속적으로 충전하여 차량의 추가적 전력원으로 활용할 수 있으며, 전기자동차의 보조 전기공급장치로 사용될 수 있는 충분한 전력 생산이 가능하고, 전기자동차의 전력 부족 문제를 일부 해결할 수 있다.In addition, by using a high-efficiency, high-performance piezoelectric energy harvesting device (electric energy generating device), the battery of vehicles such as electric vehicles can be continuously charged and used as an additional power source for vehicles. It is possible to produce enough power to be used, and some of the problems of power shortage of electric vehicles can be solved.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 사시도이다. 도 17은 도 16에 도시된 'A'부를 확대한 단면도이다. 이하에서 설명되는 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명된 실시예들과 동일한 구성요소에 대하여는 중복되는 설명을 생략한다. 도 16 및 도 17에 도시된 실시예는 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 주행풍(W)의 유동을 일으키는 돌기들(126)이 형성된 점에서, 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.16 is a perspective view of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to another embodiment of the present invention. 17 is an enlarged cross-sectional view of a portion'A' shown in FIG. 16. In describing the embodiments to be described below, redundant descriptions of the same components as those of the above-described embodiments will be omitted. The embodiment shown in FIGS. 16 and 17 is different from the above-described embodiment in that protrusions 126 for causing the flow of the running wind W are formed on the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120. There is.

실시예에서, 돌기들(126)은 대략 반구 형상으로 이루어져 일정 간격으로 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로부터 돌출 형성될 수 있다. 돌기들(126)은 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로 요동치는 주행풍(W) 흐름을 형성하여 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로 가해지는 주행풍(W)의 풍압을 증가시키고, 그에 따라 압전폴리머 박판(120)의 최대 출력 전력 및 단위 부피당 전력 밀도를 향상시킬 수 있다.In an embodiment, the protrusions 126 may have a substantially hemispherical shape and may protrude from the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 at regular intervals. The protrusions 126 form a running wind W flow that oscillates toward the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 to form a running wind applied to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120. The wind pressure of W) is increased, and accordingly, the maximum output power and the power density per unit volume of the piezoelectric polymer thin plate 120 can be improved.

돌기들(126)은 반구 형상 뿐 아니라, 타원형, 원기둥 또는 타원기둥, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형 돌기, 삼각뿔 또는 사각뿔 등의 다각뿔 등의 형상으로 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 돌기들(126)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 복수개 배열될 수도 있고, 제2 방향(Y)으로 길게 돌출된 라인 형태의 돌기들이 차량(10)의 주행 방향과 나란한 제1 방향(X)을 따라 일정 주기로 배열될 수도 있다.The protrusions 126 may be variously deformed not only into a hemispherical shape, but also into a shape such as an oval, a cylinder or an ellipse, a polygonal protrusion such as a triangle or a square, a polygonal pyramid such as a triangular pyramid or a square pyramid. In addition, a plurality of protrusions 126 may be arranged along the first direction (X) and the second direction (Y), and the line-shaped protrusions protruding long in the second direction (Y) travel of the vehicle 10 It may be arranged in a predetermined period along the first direction X parallel to the direction.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 사시도이다. 도 19는 도 18에 도시된 'B'부를 확대한 단면도이다. 도 18 및 도 19에 도시된 실시예는 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 주행풍(W)의 유동을 일으키는 홈들(128)이 형성된 점에서, 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.18 is a perspective view of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting device according to another embodiment of the present invention. 19 is an enlarged cross-sectional view of a portion'B' shown in FIG. 18. The embodiment shown in FIGS. 18 and 19 differs from the above-described embodiment in that grooves 128 for causing the flow of the running wind W are formed on the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120. have.

실시예에서, 홈들(128)은 대략 반구 형상의 홈으로 이루어져 일정 간격으로 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로부터 함입될 수 있다. 홈들(128)은 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로 요동치는 주행풍(W) 흐름을 형성하여 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)으로 가해지는 주행풍(W)의 풍압을 증가시키고, 그에 따라 압전폴리머 박판(120)의 최대 출력 전력 및 단위 부피당 전력 밀도를 향상시킬 수 있다.In an embodiment, the grooves 128 are formed of substantially hemispherical grooves and may be recessed from the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 at regular intervals. The grooves 128 form a running wind W that fluctuates toward the first side 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 to form a running wind W applied to the first side 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120. ), the maximum output power and power density per unit volume of the piezoelectric polymer thin plate 120 can be improved accordingly.

홈들(128)은 반구홈 형상 뿐 아니라, 타원형홈, 원기둥 또는 타원기둥형 홈, 삼각홈 또는 사각홈 등의 다각홈, 삼각뿔 또는 사각뿔 등의 다각뿔 형상의 홈 등의 다양한 형상으로 변형될 수 있다. 또한, 홈들(128)은 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 복수개 배열될 수도 있고, 제2 방향(Y)으로 길게 함입된 홈들이 차량(10)의 주행 방향과 나란한 제1 방향(X)을 따라 일정 주기로 배열될 수도 있다. 도시되지 않았으나, 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 돌기들과 홈들이 혼재되는 것도 가능하다.The grooves 128 may be transformed into various shapes such as not only a hemispherical groove shape, but also an elliptical groove, a cylindrical or elliptical cylindrical groove, a polygonal groove such as a triangular groove or a square groove, and a polygonal pyramidal groove such as a triangular pyramid or a square pyramid. In addition, a plurality of grooves 128 may be arranged along the first direction (X) and the second direction (Y), and the grooves long recessed in the second direction (Y) are arranged in parallel with the driving direction of the vehicle 10. It may be arranged in a certain period along one direction (X). Although not shown, protrusions and grooves may be mixed on the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120.

도 20 내지 도 23은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 압전 에너지 하베스팅 장치를 구성하는 압전폴리머 박판의 단면도이다. 도 20 내지 도 23에 도시된 실시예에서, 압전폴리머 박판(120)은 주행풍(W)에 다양한 유동을 일으키도록 주행풍(W)과 나란한 제1 방향(X)을 따라 두께가 변화할 수 있다.20 to 23 are cross-sectional views of a piezoelectric polymer thin plate constituting a piezoelectric energy harvesting apparatus according to still other various embodiments of the present invention. In the embodiment shown in FIGS. 20 to 23, the piezoelectric polymer thin plate 120 may change in thickness along the first direction X parallel with the running wind W to cause various flows in the running wind W. have.

압전폴리머 박판(120)은 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이 제1 면(121a) 및 제2 면(121b)이 주행풍(W)의 방향을 기준으로 오목면 또는 볼록면으로 형성될 수 있으며, 오목면 또는 볼록면에 의해 주행풍(W)에 요동(변동)을 일으켜 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 가해지는 주행풍(W)의 풍압을 증가시킬 수 있다.As shown in FIGS. 20 and 21, the piezoelectric polymer thin plate 120 may have a first surface 121a and a second surface 121b formed as a concave surface or a convex surface based on the direction of the running wind W. In addition, it is possible to increase the wind pressure of the running wind W applied to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 by causing fluctuations (changes) in the running wind W by the concave or convex surface.

도 20의 실시예에 의하면, 주행풍(W)의 방향을 기준으로 압전폴리머 박판(120)의 중간 부분에서 두께가 가장 두껍고, 압전폴리머 박판(120)의 중간 부분에 주행풍(W)의 풍압이 집중적으로 가해져 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동을 강화시킬 수 있다.According to the embodiment of FIG. 20, the thickness is the thickest in the middle portion of the piezoelectric polymer thin plate 120 based on the direction of the traveling wind W, and the wind pressure of the traveling wind W in the middle portion of the piezoelectric polymer thin plate 120 This intensive application may enhance the flutter vibration of the piezoelectric polymer thin plate 120.

도 21의 실시예에서는 주행풍(W)의 방향을 기준으로 압전폴리머 박판(120)의 전방 부분에서 두께가 두꺼워지고, 압전폴리머 박판(120)의 전방 부분에 주행풍(W)의 풍압이 집중적으로 가해져 압전폴리머 박판(120)의 플러터 진동을 강화시킬 수 있다.In the embodiment of FIG. 21, the thickness is increased in the front portion of the piezoelectric polymer thin plate 120 based on the direction of the traveling wind W, and the wind pressure of the traveling wind W is concentrated in the front portion of the piezoelectric polymer thin plate 120. The flutter vibration of the piezoelectric polymer thin plate 120 may be strengthened by being applied.

도 20 및 도 21에는 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a) 및 제2 면(121b)이 모두 오목면 또는 볼록면으로 형성되어 있으나, 제1 면(121a) 만 오목면 또는 볼록면으로 형성되고, 제2 면(121b)은 평면으로 형성될 수도 있다.20 and 21, both the first surface 121a and the second surface 121b of the piezoelectric polymer thin plate 120 are formed as concave or convex surfaces, but only the first surface 121a is concave or convex. And the second surface 121b may be formed as a flat surface.

다른 실시예로, 압전폴리머 박판(120)은 도 22에 도시된 바와 같이 주행풍(W)의 방향을 따라 두께가 점차 감소하도록 형성되거나, 도 23에 도시된 바와 같이 주행풍(W)의 방향을 따라 두께가 점차 증가하도록 형성될 수 있다. 이와 같이 변화하는 두께의 압전폴리머 박판(120)에 의해 주행풍(W)에 요동(변동)을 일으켜 압전폴리머 박판(120)의 제1 면(121a)에 가해지는 주행풍(W)의 풍압을 증가시킬 수 있다.In another embodiment, the piezoelectric polymer thin plate 120 is formed to gradually decrease in thickness along the direction of the running wind W as shown in FIG. 22, or the direction of the running wind W as shown in FIG. 23 It may be formed to gradually increase the thickness along the. The wind pressure of the running wind W applied to the first surface 121a of the piezoelectric polymer thin plate 120 by causing fluctuations (changes) in the running wind W by the piezoelectric polymer thin plate 120 of varying thickness in this way. Can increase.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.It should be understood that the above embodiments have been presented to aid the understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and various deformable embodiments are also within the scope of the present invention. The technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the claims, and the technical protection scope of the present invention is not limited to the literal description of the claims per se, but the invention of the scope of which the technical value is substantially equal. It should be understood that it reaches to.

10: 차량 100: 압전 에너지 하베스팅 장치
110: 고정판 112: 홈부
120: 압전폴리머 박판 121a: 제1 면
121b: 제2 면 122, 124: 고정면
126: 돌기 128: 홈
130: 함체 132: 공동
140: 충전부 142: 제2 전기선
144: 제1 전기선10: vehicle 100: piezoelectric energy harvesting device
110: fixing plate 112: groove
120: piezoelectric polymer thin plate 121a: first surface
121b: second side 122, 124: fixed side
126: protrusion 128: groove
130: enclosure 132: cavity
140: charging unit 142: second electric wire
144: first electric wire

Claims (18)

차량에 장착되어 상기 차량의 주행에 따른 풍압에 의해 전기를 발생하는 압전 에너지 하베스팅 장치에 있어서,
상기 차량의 차체 표면에 장착되고, 상기 차량의 주행시 상기 차체의 표면을 스치는 주행풍의 방향과 나란하게 배치되고, 제1 면에 작용하는 상기 주행풍의 풍압에 의해 플러터(flutter) 형태로 진동하는 압전폴리머 박판;
상기 압전폴리머 박판의 변들 중 적어도 두 변이 고정되고, 상기 압전폴리머 박판의 중심부와 마주보는 면에 상기 압전폴리머 박판의 진동 및 상기 주행풍의 유동을 허용하는 홈부를 가지는 고정판; 및
상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면과 반대측의 제2 면에 마련되고, 상기 압전폴리머 박판의 진동 진폭 이상의 깊이의 공동을 가지는 함체를 포함하고,
상기 함체는 상기 차체의 표면에 매립 설치되고,
상기 고정판의 홈부는 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 변과 상기 주행풍의 방향과 수직하게 대향하는 변을 갖고,
상기 주행풍의 방향과 수직하게 대향하는 변은 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 변보다 길고,
상기 압전폴리머 박판의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 두 변이 상기 고정판에 고정되고,
상기 고정판에 고정되는 압전폴리머 박판의 두 변의 길이가 상기 고정판의 홈부의 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 변의 길이와 같은 것을 특징으로 하는 압전 에너지 하베스팅 장치.A piezoelectric energy harvesting device that is mounted on a vehicle and generates electricity by wind pressure according to the driving of the vehicle,
A piezoelectric polymer mounted on the vehicle body surface of the vehicle, arranged parallel to the direction of the driving wind passing through the vehicle body surface when the vehicle is running, and vibrating in a flutter form by the wind pressure of the driving wind acting on the first surface Thin plate;
At least two of the sides of the piezoelectric polymer thin plate are fixed, and a fixing plate having a groove on a surface facing the center of the piezoelectric polymer thin plate to allow the vibration of the piezoelectric polymer thin plate and the flow of the traveling wind; And
A housing provided on a second surface of the piezoelectric polymer thin plate opposite to the first surface, and having a cavity having a depth equal to or greater than the vibration amplitude of the piezoelectric polymer thin plate,
The enclosure is installed embedded in the surface of the vehicle body,
The groove portion of the fixing plate has a side facing parallel to the direction of the running wind and a side facing perpendicular to the direction of the running wind,
The side perpendicular to the direction of the running wind is longer than the side facing parallel to the direction of the running wind,
Two sides of the four sides of the piezoelectric polymer thin plate facing parallel to the direction of the driving wind are fixed to the fixing plate,
The piezoelectric energy harvesting device, wherein the length of two sides of the piezoelectric polymer thin plate fixed to the fixing plate is the same as the length of the side opposite to the direction of the running wind in the groove of the fixing plate. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 수직하게 대향하는 두 변은 상기 고정판에 고정되지 않는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
A piezoelectric energy harvesting device in which two sides of the piezoelectric polymer thin plate facing perpendicular to the direction of the driving wind are not fixed to the fixed plate. 제2항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은, 상기 주행풍의 방향과 나란하게 상기 고정판에 고정되는 두 변의 길이보다, 상기 고정판에 고정되지 않은 두 변의 길이가 길게 형성되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 2,
The piezoelectric energy harvesting device in which the piezoelectric polymer thin plate has two sides not fixed to the fixed plate longer than two sides fixed to the fixed plate parallel to the direction of the driving wind. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고정판의 상기 홈부의 네 변 중 상기 주행풍의 방향과 수직한 두 변의 길이는 상기 압전폴리머 박판의 상기 주행풍의 방향과 수직한 두 변의 길이보다 짧은 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
A piezoelectric energy harvesting device in which two sides of the fixing plate perpendicular to the direction of the running wind are shorter than two sides of the piezoelectric polymer thin plate perpendicular to the direction of the running wind. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판의 상기 주행풍의 방향과 나란하게 대향하는 두 변이 상기 고정판의 하면에 고정되고, 상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면으로만 상기 주행풍의 풍압이 작용되게 하고 상기 제2 면으로는 상기 주행풍의 풍압이 작용하지 않도록 설치되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
Two sides of the piezoelectric polymer thin plate facing in parallel with the direction of the traveling wind are fixed to the lower surface of the fixing plate, and the wind pressure of the traveling wind is applied only to the first side of the piezoelectric polymer thin plate, and the second side is the Piezoelectric energy harvesting device installed so that the wind pressure of the driving wind does not work. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판의 상기 제1 면에 전기적으로 연결되는 제1 전기선과, 상기 압전폴리머 박판의 상기 제2 면에 전기적으로 연결되는 제2 전기선과, 상기 주행풍에 의한 상기 압전폴리머 박판의 플러터 형태 진동에 따라 상기 제1 전기선 및 상기 제2 전기선 간에 발생하는 전압을 이용하여 상기 차량의 배터리를 충전하는 충전부를 더 포함하는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
A first electric wire electrically connected to the first surface of the piezoelectric polymer thin plate, a second electric wire electrically connected to the second surface of the piezoelectric polymer thin plate, and a flutter form of the piezoelectric polymer thin plate by the running wind Piezoelectric energy harvesting device further comprising a charging unit for charging the battery of the vehicle using a voltage generated between the first electric line and the second electric line according to the vibration. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 이소불화비닐(PVDF; Polyvinylidene fluoride) 압전필름을 포함하는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
The piezoelectric energy harvesting device includes a piezoelectric polymer thin plate comprising a polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면에 상기 주행풍의 유동을 일으키는 돌기들을 가지는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
The piezoelectric energy harvesting device, wherein the piezoelectric polymer thin plate has protrusions that cause the traveling wind to flow on the first surface. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면에 상기 주행풍의 유동을 일으키는 홈들을 가지는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
The piezoelectric energy harvesting device, wherein the piezoelectric polymer thin plate has grooves on the first surface for causing the traveling wind to flow. 제1항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 주행풍에 유동을 일으키도록 상기 주행풍의 방향을 따라 두께가 변화하는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 1,
The piezoelectric energy harvesting device in which the piezoelectric polymer thin plate changes in thickness along the direction of the driving wind so as to cause a flow in the driving wind. 제11항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면이 상기 주행풍의 방향을 기준으로 오목면으로 형성되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 11,
The piezoelectric energy harvesting device in which the first surface of the piezoelectric polymer thin plate is formed as a concave surface based on the direction of the driving wind. 제11항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 제1 면이 상기 주행풍의 방향을 기준으로 볼록면으로 형성되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 11,
The piezoelectric energy harvesting device in which the piezoelectric polymer thin plate has the first surface formed as a convex surface based on the direction of the driving wind. 제11항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 주행풍의 방향을 따라 두께가 점차 감소하도록 형성되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 11,
The piezoelectric energy harvesting device is formed such that the thickness of the piezoelectric polymer thin plate gradually decreases along the direction of the driving wind. 제11항에 있어서,
상기 압전폴리머 박판은 상기 주행풍의 방향을 따라 두께가 점차 증가하도록 형성되는 압전 에너지 하베스팅 장치.The method of claim 11,
The piezoelectric energy harvesting device is formed such that the thickness of the piezoelectric polymer thin plate gradually increases along the direction of the driving wind. 제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제15항 중 어느 한 항의 압전 에너지 하베스팅 장치가 차체에 장착된 차량.A vehicle in which the piezoelectric energy harvesting device of any one of claims 1 to 3 and 5 to 15 is mounted on a vehicle body. 제16항에 있어서,
자동차, 기차, 선박 또는 비행기를 포함하는 차량.The method of claim 16,
Vehicles, including cars, trains, ships or airplanes. 제16항에 있어서,
상기 압전 에너지 하베스팅 장치는 자동차의 범퍼 주변, 측면 및 상부 중 적어도 하나의 위치에 장착되는 차량.The method of claim 16,
The piezoelectric energy harvesting device is mounted in at least one of a bumper, a side surface, and an upper portion of the vehicle.
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