KR102294085B1 - 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 구조물에 부착가능하고, 일면에 개구가 형성되고 내부가 빈 육면체 구조의 하우징; 상기 하우징의 개구와 마주보는 내면으로부터 소정 간격 떨어져 배치되고, 양 단부는 상기 하우징의 서로 마주보는 한 쌍의 내측면에 고정되고, 상기 양 단부 사이의 양 측부는 상기 하우징의 서로 마주보는 다른 한 쌍의 내측면으로부터 이격되어 상기 하우징에 고정되지 않는 판 형상의 진동부; 상기 하우징의 내면과 상기 진동부 사이에 배치되는 전기부; 및 상기 진동부의 양 측부와 상기 하우징의 다른 한 쌍의 내측면 사이에 각각 배치되는 레일부;를 포함하고, 상기 레일부는 상기 하우징의 개구로부터 상기 하우징의 내면 측 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 상기 레일 상에서 상기 레일을 따라 이동가능하고 상기 진동부의 양 측부에 배치된 베어링을 포함하고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동하여 상기 전기부에서 전기가 발생되고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면 상기 베어링은 상기 레일 상에서 직선 왕복 운동한다.
Description
본 발명은 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 변동성으로 인한 압력의 변화를 통해 발생하는 진동 에너지를 전자기 유도 방식으로 전기 에너지로 변환하는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
최근 화석 연료의 고갈, 탈 원전, 환경문제 등으로 인해 풍력이나 파력 에너지와 같은 신재생 에너지의 중요성 및 관심이 커지고 있다. 특히, 고층 건물이나 교량과 같은 대형 구조물 주변에 존재하는 유체의 흐름을 활용한 소형 발전 시스템 관련 기술이 많이 개발되고 있다.
자연에 존재하는 유체의 흐름을 이용하여 얻는 에너지는 주로 터빈에 의해 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환한 경우가 대부분이다. 터빈을 활용한 발전 시스템의 경우, 유체의 흐름이 빠르고 일정한 속도일 때 에너지 효율이 가장 높다. 이러한 이유로 설치 장소가 한정되는 단점이 존재한다. 이와 관련한 발전 장치에 대하여 알아보면,
한국등록특허 제10-1169184호에서는, 일반 가정이나 대형 건물의 지붕이나 옥상에 설치하여 전기에너지를 생산할 수 있도록 한 건물의 지붕에 설치하는 소형풍력발전장치를 개시하고 있다. 이는 건물의 옥상에 높은 풍속이 부는 것을 반영하여 개발한 장치로, 당해 장치가 건물의 옥상에 설치될 경우에는 높은 풍속을 기대할 수 있으나, 건물의 외벽이나 하층부에 설치될 경우에는 높은 풍속을 기대할 수 없고 상대적으로 불규칙한 바람이 불기 때문에 높은 에너지 효율을 기대하기가 어렵다.
한국등록실용신안 제20-0323255호에서는, 해류의 물살이 센 곳에 설치하여 해류의 흐름에 의해 발전 날개를 돌려 높은 발전 효율을 득할 수 있도록 한 해류 발전장치를 개시하고 있다. 당해 장치는 물살이 센 지역에 설치될 경우에만 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다.
자연에 존재하는 유체는 일반적으로 그 흐름이 불규칙하여 시간대 별로 유속의 차이가 발생한다. 이러한 이유로 터빈을 활용하여 발전하는 데에는 시간적 및 장소적으로 제약이 따른다.
본 발명의 목적은 유체의 변동으로 인한 압력의 변화로 발생하는 진동을 활용하여 전기 에너지를 수확하는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 하우징, 진동부 및 전기부를 포함한다. 하우징은 구조물에 부착된다. 진동부는 양 단부는 하우징에 고정되고, 양 단부 사이의 양 측부는 하우징에 고정되지 않는다. 전기부는 하우징의 내면과 진동부 사이에 배치된다. 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이, 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동하여 전기부에서 전기가 발생된다.
일 실시 예에 의하면, 전기부는 하우징의 내면과 진동부에 각각 연결된다. 전기부는 코일 및, 코일 양 측면 각각에 코일과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석들을 포함한다. 코일과 자석들 중 어느 하나는 하우징의 내면에 연결되고, 나머지 하나는 진동부에 연결된다. 진동부의 진동으로 코일과 자석들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생한다.
일 실시 예에 의하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 레일부를 더 포함한다. 레일부는 진동부의 양 측부와 하우징의 양 측부 사이에 각각 배치된다. 레일부는 일 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 레일 상에서 이동할 수 있는 베어링을 포함한다. 레일은 하우징의 양 측부에 각각 배치되고, 베어링은 진동부의 양 측부에 각각 배치된다. 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면, 베어링은 레일 상에서 일 방향 또는 일 방향의 반대방향으로 이동한다.
일 실시 예에 의하면, 진동부는 소정의 판이다. 판의 양 단부가 하우징에 고정되며, 양 단부 사이의 양 측부는 하우징에 고정되지 않는다.
일 실시 예에 의하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 질량부를 더 포함한다. 질량부는 진동부의 중간부에 배치되어, 진동부와 함께 진동한다.
일 실시 예에 의하면, 전기부는 하우징의 내면과 질량부에 각각 연결된다. 전기부는 코일 및, 코일 양 측면 각각에 코일과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석들을 포함한다. 코일과 자석들 중 어느 하나는 하우징의 내면에 연결되고, 나머지 하나는 질량부에 연결된다. 질량부의 진동으로 코일과 자석들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생한다.
일 실시에 의하면, 레일부는 질량부의 양 측부와 하우징의 양 측부 사이에 배치된다. 레일부는 일 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 레일 상에서 이동할 수 있는 베어링을 포함한다. 레일은 하우징의 양 측부에 각각 배치되고, 베어링은 질량부의 양 측부에 각각 배치된다. 질량부가 진동하면, 베어링은 레일 상에서 일 방향 또는 일 방향의 반대방향으로 이동한다.
일 실시 예에 의하면, 질량부 및 진동부는 소정의 판이다. 질량부의 크기는 진동부의 크기보다 작다. 질량부는 진동부의 앞이나 뒤에, 또는 앞과 뒤 모두에 배치된다.
일 실시 예에 의하면, 진동부는 금속 재질 또는 가요성(可撓性)이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 구조물에 부착가능하고, 일면에 개구가 형성되고 내부가 빈 육면체 구조의 하우징; 상기 하우징의 개구와 마주보는 내면으로부터 소정 간격 떨어져 배치되고, 양 단부는 상기 하우징의 서로 마주보는 한 쌍의 내측면에 고정되고, 상기 양 단부 사이의 양 측부는 상기 하우징의 서로 마주보는 다른 한 쌍의 내측면으로부터 이격되어 상기 하우징에 고정되지 않는 판 형상의 진동부; 상기 하우징의 내면과 상기 진동부 사이에 배치되는 전기부; 및 상기 진동부의 양 측부와 상기 하우징의 다른 한 쌍의 내측면 사이에 각각 배치되는 레일부;를 포함하고, 상기 레일부는 상기 하우징의 개구로부터 상기 하우징의 내면 측 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 상기 레일 상에서 상기 레일을 따라 이동가능하고 상기 진동부의 양 측부에 배치된 베어링을 포함하고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이, 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동하여 상기 전기부에서 전기가 발생되고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면, 상기 베어링은 상기 레일 상에서 직선 왕복 운동한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 구조물에 부착가능하고, 일면에 개구가 형성되고 내부가 빈 육면체 구조의 하우징; 상기 하우징의 개구와 마주보는 내면으로부터 소정 간격 떨어져 배치되고, 양 단부는 상기 하우징의 서로 마주보는 한 쌍의 내측면에 고정되고, 상기 양 단부 사이의 양 측부는 상기 하우징의 서로 마주보는 다른 한 쌍의 내측면으로부터 이격되어 상기 하우징에 고정되지 않는 판 형상의 진동부; 상기 하우징의 내면과 상기 진동부 사이에 배치되는 전기부; 및 상기 진동부의 양 측부와 상기 하우징의 다른 한 쌍의 내측면 사이에 각각 배치되는 레일부;를 포함하고, 상기 레일부는 상기 하우징의 개구로부터 상기 하우징의 내면 측 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 상기 레일 상에서 상기 레일을 따라 이동가능하고 상기 진동부의 양 측부에 배치된 베어링을 포함하고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이, 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동하여 상기 전기부에서 전기가 발생되고, 상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면, 상기 베어링은 상기 레일 상에서 직선 왕복 운동한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치는 구조물의 외벽 어디든 설치될 수 있다.
또한, 구조물 외벽에 탈부착이 용이하다.
또한, 필요로 하는 전기용량에 따라 장치의 크기를 달리할 수 있다.
또한, 구조물 주변의 유체의 변압으로 인해 발생하는 진동에너지를 활용할 수 있다.
또한, 유체의 변압을 새로운 에너지원으로 활용할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치에 질량부가 포함된 경우를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 1의 레일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 전기부를 나타내는 도면이다.
도 6은, (a)는 유체의 변동성을 파악하기 위한 풍동 실험 전경이고, (b)는 풍압공이 설치된 구조물 축소 모형이다.
도 7은 구조물 주변에 존재하는 바람의 정압 분포를 나타낸다.
도 8은 구조물 주변에 존재하는 변동 풍압 분포를 나타낸다.
도 9는 수치해석 계산을 위한 시간에 따른 풍압 데이터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치의 분석 모델을 활용한 시간에 따른 출력 전압 값을 나타낸다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치에 질량부가 포함된 경우를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 1의 레일부를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 전기부를 나타내는 도면이다.
도 6은, (a)는 유체의 변동성을 파악하기 위한 풍동 실험 전경이고, (b)는 풍압공이 설치된 구조물 축소 모형이다.
도 7은 구조물 주변에 존재하는 바람의 정압 분포를 나타낸다.
도 8은 구조물 주변에 존재하는 변동 풍압 분포를 나타낸다.
도 9는 수치해석 계산을 위한 시간에 따른 풍압 데이터를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치의 분석 모델을 활용한 시간에 따른 출력 전압 값을 나타낸다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치에 대하여 설명하도록 한다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 기술을 말한다.
본 발명의 에너지 하베스팅 장치는 유체의 변압을 이용한다. 유체의 변압이란 유체의 변동성으로 인한 압력의 변화를 말한다.
본 발명에서 유체의 변압은 바람일 수 있다. 바람은 기압의 변화에 의하여 일어나는 공기의 움직임을 말하고, 가진력(vibratory force, excitation force, 加振力)으로 작용할 수 있다.
바람은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 진동부를 진동시키는 가진력으로 작용하고, 이 가진력에 의해 진동부가 일 방향으로 진동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 장치에 질량부가 포함된 경우를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 장치는 하우징(100)(housing), 진동부(200), 전기부(300)를 포함한다.
<하우징(100)>
하우징(100) 및 진동부(200)는 '본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치'(이하에서는 '에너지 하베스팅 장치'라 한다)의 외형을 형성한다.
하우징(100)은 구조물에 부착될 수 있다. 여기서 구조물은 주택이나 빌딩 등과 같은 건물일 수 있다. 하우징(100)은 구조물의 외벽, 즉 주택이나 빌딩의 외벽에 설치(장착)될 수 있다. 건물에서 하우징(100)이 배치되는 위치는 주로 바람이 많이 불어오는 위치일 수 있다.
하우징(100)은 구조물에 탈부착이 용이하게 설치될 수 있다. 하우징(100)과 구조물은, 탈부착이 용이한 결합나사 등과 같은 체결수단에 의해 서로 결합 및 고정될 수 있다.
하우징(100)은 진동부(200)의 양 단부와 체결(결합)될 수 있다.
하우징(100)의 형상은 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 진동부(200)의 양 단부가 체결되어 고정될 수 있는, 다양한 형상을 가질 수 있다.
<진동부(200)>
진동부(200)는 진동할 수 있다.
진동부(200)는 바람에 의해, 즉 바람이 진동부(200)에 가진력을 가하면, 진동할 수 있다. 가진력은 진동부(200)에 가해지는 힘이다. 바람이 가진력으로 작용한다. 가진력이 진동부(200)에 가해져 진동부(200)가 진동을 한다(진동부(200)를 진동시킨다).
진동부(200)는 양 단부 및, 양 단부 사이의 양 측부를 포함할 수 있다. 진동부(200)의 양 단부는 하우징(100)에 체결되어 고정되고, 양 측부는 하우징(100)에 고정되지 않는다.
진동부(200)의 양 단부는 하우징(100)에 탈부착이 가능하게 체결되어 고정될 수 있다. 진동부(200)는 하우징(100)에 탈부착이 가능하기 때문에 상시 보수가 가능하다.
진동부(200)의 양 단부가 하우징(100)과 분리되어 탈부착이 가능하다면, 진동부(200)의 양 단부가 하우징(100)에 체결되어 고정되는 방식은 특정한 방식으로 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 체결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 진동부(200)의 양 단부 및, 진동부(200)의 양 단부와 결합되는 하우징(100)의 특정 부분에 홀(hole)이 형성되고, 홀에 리벳(rivet) 또는 나사와 같은 체결 수단이 삽입되어 서로 결합될 수 있다. 또한, 볼트(bolt) 체결 방식, 후크(hook) 체결 방식 등 다른 구조에 의해서 결합될 수도 있다.
진동부(200) 중에서 하우징(100)에 고정되는 양 단부를 제외한 부분이, 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동할 수 있다. 진동부(200)의 진동에 의해 하기에서 설명하는 전기부(300)에서 전기가 발생(생산)될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 진동부(200)는 소정의 판일 수 있다. 상기 소정의 판은, 두께를 갖고 가로 및 세로로 소정의 길이를 갖는, 일반적인 판 형상을 말한다.
판의 양 단부가 하우징(100)에 체결되어 고정될 수 있고, 판의 양 단부 사이의 양 측부는 하우징(100)에 고정되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 구조물에 하우징(100)이 고정되고, 하우징(100)에 진동부(200)인 소정의 판의 양 단부가 고정된 경우에, 판은 바람이 불어오는 방향과 직교하는 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 바람이 수평 방향으로 불어오면, 판은 수평 방향과 직교하는 방향인 수직 방향으로 배치될 수 있다.
유체의 변압에 의해 진동부(200)가 일 방향으로 진동할 때, 진동부(200)의 양 단부는 하우징(100)에 고정되어 있어 진동하지 않고, 진동부(200) 중에서 양 단부를 제외한 부분(하우징(100)에 고정되지 않는 부분)이 일 방향으로 진동할 수 있다. 이때 진동부(200)의 양 단부 사이에서 중간에 해당하는 부분이, 진동부(200) 중에서 일 방향으로의 진동 변위가 가장 클 수 있다. 진동부(200)의 양 단부 사이에서 중간에 해당하는 부분을 진동부(200)의 중간부라 한다.
본 발명의 실시 예에 따라, 진동부(200)가 소정의 판이고, 유체의 변압에 의해 판이 일 방향으로 진동할 때, 판의 양 단부는 하우징(100)에 고정되어 있어 진동하지 않고, 판 중에서 양 단부를 제외한 부분(하우징(100)에 고정되지 않는 부분)이 일 방향으로 진동할 수 있다. 이때 판의 양 단부 사이에서 중간에 해당하는 부분이, 판 중에서 일 방향으로의 진동 변위가 가장 클 수 있다. 판의 양 단부 사이에서 중간에 해당하는 부분을 판의 중간부라 한다.
하기에서 설명하는 전기부(300) 및/또는 질량부(400)는 진동부(200)의 중간부(예를 들면, 판의 중간부)에 배치될 수 있다. 진동부(200)의 중간부가 진동부(200) 중에서 일 방향으로의 진동 변위가 가장 크기 때문에, 진동 에너지가 가장 크고, 변환되는 전기 에너지 또한 가장 클 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 진동부(200)는 금속 재질일 수 있고, 그 두께가 얇을 수 있다. 금속 재질의 진동부(200)가 양 단부가 고정된 상태에서 유체의 변압에 의해 진동하기 위해서는, 진동부(200)의 두께가 얇을 수 있다. 다시 말해, 진동부(200)의 두께는, 금속 재질의 진동부(200)가 양 단부가 고정된 상태에서 진동부(200) 중에서 양 단부를 제외한 부분이 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동할 수 있을 만큼, 얇을 수 있다.
진동부(200)는 스테인리스 재질일 수 있다. 진동부(200)는 구조물의 외부에 장착(배치)되기 때문에 녹이 잘 생기지 않고 부식이 잘 되지 않는 스테인리스 재질일 수 있다. 또한, 스테인리스는 내구성 및 내열성이 뛰어나므로 날씨 변화에도 강하다.
본 발명의 실시 예에 따라, 진동부(200)가 외력에 의해 진동할 수 있다면, 진동부(200)는 가요성(可撓性, flexibility)이 있는 재질일 수 있다. 가요성은 물체가 쉽게 휘고 원형으로 회복될 수 있는 능력. 즉 파괴 없이 많이 변형할 수 있는 성질을 말한다. .
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 진동부(200)의 양 측부와 하우징(100)의 양 측부 사이에 배치되는 레일부(500)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구조적 안전성을 보장하고 효율적인 에너지 변환을 위하여 진동부(200)(및/또는 하기에서 설명하는 질량부(400))가 일정한 방향으로 안정적으로 진동하는 것이 필요하다. 본 발명은 이를 위해 진동부(200)(및/또는 질량부(400))와 하우징(100) 사이에 선형으로 움직이는 레일부(500)을 설치하여 일정한 방향으로 진동할 수 있도록 하였다.
도 4는 도 1의 레일부를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 레일(rail)부(500)는 진동부(200)가 일 방향으로 진동할 때, 진동부(200)를 지지하고 가이드(guide)할 수 있다.
레일부(500)는 일 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일(510) 및 상기 레일(510) 상에서 이동할 수 있는 베어링(530)을 포함할 수 있다.
레일(510)은 하우징(100)의 양 측부에 각각 배치될 수 있고, 각각의 레일(510)은 진동부(200)가 진동하는 방향으로 배치될 수 있다. 구체적으로 진동부(200)가 일 방향으로 진동하는 경우, 레일(510)은 상기 일 방향과 동일한 방향으로 배치될 수 있다.
베어링(530)은 진동부(200)의 양 측부에 각각 배치될 수 있다.
베어링(530)은 레일(510) 상에서 슬라이딩(sliding) 방식으로 일 방향과 일 방향의 반대 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 진동부(200) 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면, 베어링(530)은 레일(510) 상에서 일 방향 또는 상기 일 방향의 반대방향으로 이동할 수 있다.
<질량부(400)>
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 진동부(200)의 양 단부 사이에 배치되어, 진동부(200)와 함께 진동하는 질량부(400)를 더 포함할 수 있다. 여기서 진동부(200)의 양 단부는 하우징(100)에 체결되어 고정된다.
질량부(400)는 진동부(200)의 양 단부 사이에서도 진동 변위가 가장 큰, 진동부(200)의 중간부에 장착(배치)될 수 있다.
질량부(400)는 진동부(200)에 배치되어 진동부(200)의 무게를 더하는 역할을 한다. 이는 진동부(200)가 좀더 진동할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 질량부(400)는 소정의 판일 수 있다. 상기 소정의 판은, 두께를 갖고 가로 및 세로로 소정의 길이를 갖는, 일반적인 판 형상을 말한다.
질량부(400)는 진동부(200)에 체결되어 고정될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 진동부(200) 및 질량부(400)가 소정의 판인 경우에, 질량부(400)인 소정의 판의 크기는 진동부(200)인 소정의 판의 크기보다 작을 수 있고, 질량부(400)인 소정의 판이 진동부(200)인 소정의 판의 중간부에 체결되어 고정될 수 있다. 이때 질량부(400)인 소정의 판이 진동부(200)인 소정의 판의 앞이나 뒤에, 또는 앞과 뒤 모두에 각각 배치될 수 있다.
질량부(400)가 진동부(200)에 체결되어 고정되는 방식은 특정한 방식으로 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 체결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 진동부(200)와 질량부(400)가 체결되는 특정 부분에 홀(hole)이 형성되고, 홀에 리벳(rivet) 또는 나사와 같은 체결 수단이 삽입되어 서로 결합될 수 있다. 또한, 볼트(bolt) 체결 방식 등 다른 구조에 의해서 결합될 수도 있다.
또는 본 발명의 실시 예에 따라, 질량부(400)의 양 단부에 각각 진동부(200)가 체결되어 고정되고, 질량부(400)의 양 단부에 배치된 진동부(200)가 각각 하우징(100)에 체결되어 고정될 수 있다.
구체적으로, 진동부(200)는 제1 진동부 및 제2 진동부를 포함하고, 제1 진동부의 일 단부는 질량부(400)의 일 단부에 체결되어 배치되고, 제2 진동부의 일 단부는 질량부(400)의 타 단부에 체결되어 배치될 수 있다. 그리고, 제1 진동부의 타 단부는 하우징(100)의 일 단부에 체결되어 고정되고, 제2 진동부의 타 단부는 하우징(100)의 타 단부에 체결되어 고정될 수 있다.
진동부(200) 및 질량부(400)의 크기와 재질은 구조물의 특성에 맞게 변화하여 사용이 가능하며 이를 통해 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.
하우징(100), 진동부(200) 및 질량부(400)는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 외형을 형성하고, 구조물의 외부에 설치되어 구조물 사용자에게 심미적 만족감을 줄 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 레일부(500)는, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 질량부(400)가 없는 경우에는, 진동부(200)의 양 측부와 하우징(100)의 양 측부 사이에 배치될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 4를 참조하면, 레일부(500)는, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 질량부(400)가 있는 경우에는, 질량부(400)의 양 측부와 하우징(100)의 양 측부 사이에 배치될 수 있다.
레일부(500)는 일 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일(510) 및 레일(510) 상에서 이동할 수 있는 베어링(530)을 포함할 수 있다.
레일(510)은 하우징(100)의 양 측부에 각각 배치될 수 있고, 각각의 레일(510)은 질량부(400)가 진동하는 방향으로 배치될 수 있다. 구체적으로 질량부(400)가 일 방향으로 진동하는 경우, 레일(510)은 상기 일 방향과 동일한 방향으로 배치될 수 있다.
베어링(530)은 질량부(400)의 양 측부에 각각 배치될 수 있다.
베어링(530)은 레일(510) 상에서 슬라이딩(sliding) 방식으로 일 방향과 일 방향의 반대 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 질량부(400)가 진동부(200)와 함께 진동하면, 베어링(530)은 레일(510) 상에서 일 방향 또는 상기 일 방향의 반대방향으로 이동할 수 있다.
<전기부(300)>
도 5는 도 1의 전기부를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 전기부(300)는 전자기 유도 방식에 의해 전기를 발전(생산)할 수 있다.
전기부(300)는 하우징(100)의 내면과 진동부(200) 사이에 배치될 수 있고, 하우징(100)의 내면과 진동부(200)에 각각 연결될 수 있다.
전기부(300)는 코일(330) 및, 상기 코일(330) 양 측면 각각에 코일(330)과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석(310)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 질량부(400)가 없는 경우에는, 코일(330)과 자석(310)들 중 어느 하나는 하우징(100)의 내면에 연결될 수 있고, 나머지 하나는 진동부(200)에 연결될 수 있다. 유체의 변압에 따른 진동부(200)의 진동으로, 코일(330)과 자석(310)들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생할 수 있다. 도 1은, 코일(330)은 하우징(100)의 내면에 연결되고, 자석(310)들은 진동부(200)에 연결된 실시 예를 도시하고 있다. 진동부(200)의 진동으로 자석(310)들이 일 방향으로 진동하여 전기가 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 코일 프레임(340)이 코일(330)과 하우징(100)의 내면을 연결시킬 수 있고, 자석 프레임(320)이 자석(310)들과 진동부(200)를 연결시킬 수 있다. 코일 프레임(340)은 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 코일(330)을 수용하여 하우징(100)의 내면과 연결될 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 자석 프레임(320)은 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 자석(310)들을 수용하여 진동부(200)와 연결될 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
코일 프레임(340)과 하우징(100)의 내면 간의 연결(체결) 방식 및, 자석 프레임(320)과 진동부(200) 간의 연결(체결) 방식은 특정한 방식으로 제한되지 않으며, 다양한 방식이 적용되어 서로 연결(체결)될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치에 질량부(400)가 있는 경우에는, 질량부(400)는 진동부(200)의 중간부에 배치될 수 있고, 진동부(200)와 함께 진동할 수 있다. 이때, 전기부(300)는 하우징(100)의 내면과 질량부(400) 사이에 배치될 수 있고, 하우징(100)의 내면과 질량부(400)에 각각 연결될 수 있다.
전기부(300)는 코일(330) 및, 상기 코일(330) 양 측면 각각에 코일(330)과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석(310)들을 포함할 수 있다. 코일(330)과 자석(310)들 중 어느 하나는 하우징(100)의 내면에 연결될 수 있고, 나머지 하나는 질량부(400)에 연결될 수 있다. 유체의 변압에 따른 질량부(400)의 진동으로, 코일(330)과 자석(310)들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생할 수 있다. 도 2는, 코일(330)은 하우징(100)의 내면에 연결되고, 자석(310)들은 질량부(400)에 연결된 실시 예를 도시하고 있다. 진동부(200) 및 진동부(200)의 진동으로 자석(310)들이 일 방향으로 진동하여 전기가 발생할 수 있다.
도 2를 참조하면, 코일 프레임(340)이 코일(330)과 하우징(100)의 내면을 연결시킬 수 있고, 자석 프레임(320)이 자석(310)들과 질량부(400)를 연결시킬 수 있다. 코일 프레임(340)은 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 코일(330)을 수용하여 하우징(100)의 내면과 연결될 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 자석 프레임(320)은 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 자석(310)들을 수용하여 질량부(400)와 연결될 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
코일 프레임(340)과 하우징(100)의 내면 간의 연결(체결) 방식 및, 자석 프레임(320)과 질량부(400) 간의 연결(체결) 방식은 특정한 방식으로 제한되지 않으며, 다양한 방식이 적용되어 서로 연결(체결)될 수 있다.
전기부(300)의 자석(310)은 잔류 자석 밀도 및 보자력이 높은 네오디움 자석(Neodymium Magnet)일 수 있고, 진동부(200) 및/또는 질량부(400)가 진동할 때, 자속의 유속 변화로 코일(330)에서 전기가 생성되어 전기 에너지로 변환될 수 있다.
자석(310)은 코일(330) 주변에서 선형으로 진동하며 이를 통해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
코일(330)은 구리선으로 감겨지고, 코일 케이스 및 발생한 전기를 저장소(일종의 배터리)로 전달하는 전선 등을 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치의 실험적인 내용들에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 에너지원인 유체 변압의 활용성을 파악하기 위하여 실험을 실시하였다. 실험은 구조물 주변에 발생하는 변동 풍압을 확인하는 풍동 실험을 통해 진행되었다. 풍압 분포 분석을 위해 364개의 풍압공을 실험 모형에 설치하였다. 도 6은 실험의 모습을 나타낸다. 도 6은, (a)는 유체의 변동성을 파악하기 위한 풍동 실험 전경이고, (b)는 풍압공이 설치된 구조물 축소 모형이다.
풍동 실험을 통해 실험 모형 주변에 발생하는 정압 분포와 변동 풍압 분포를 파악하였다. 정압은 시간에 구애 받지 않는 평균적인 압력 분포로서 일정하고 안정적인 풍속 분포를 파악하는데 필요하며, 변동 풍압은 시간에 따라 변동하는 압력이므로 유체의 변동성을 파악하는데 필요하다. 도 7은 구조물 주변에 존재하는 바람의 정압 분포를 나타내고, 도 8은 구조물 주변에 존재하는 변동 풍압 분포를 나타낸다.
정압의 경우, 바람과 만나는 건물(구조물)의 정면 상층부에 높은 값이 확인되었으며, 변동 풍압의 경우, 건물의 측면 중층부와 하층부에 높은 값이 확인되었다. 이러한 이유로 빠르고 일정한 풍속이 필요한 기존 발전기는 건물의 상층부에 설치된다. 반면에 유체의 변동성을 활용한 본 발명의 에너지 하베스팅 장치는 건물의 상층부뿐만 아니라, 중층부 및 하층부와 같은 새로운 곳에서 에너지 수확이 가능하다. 새로운 곳에서 추가적인 에너지 수확이 가능하기 때문에 유체의 변압은 활용 가능성이 있다.
본 발명의 효율성을 검증하기 위하여 유체의 변압을 가진력(excitation force)으로 사용하는 발명에 대한 분석 모델을 설정하고 생산되는 전력을 수치적으로 계산하였다. 앞서 설명한 풍동 실험을 통해 얻은 풍압 데이터를 수치 계산을 위한 가진력으로 활용하였다. 도 9는 수치해석 계산을 위한 시간에 따른 풍압 데이터를 나타낸다. 도 9는 수치 해석을 위해 앞서 진행한 실험에서 얻은 데이터로서, 364개의 풍압공 중에서 최대 RMS 값을 나타내는 지점에서의 시간대 별 풍압 데이터이다.
분석 모델을 위한 진동형 전자기 유도 방식을 적용한 에너지 하베스팅 장치에 활용되는 자석과 코일의 제원을 설정하였다. 자석의 경우, 크기에 따른 자속(magnetic flux)을 설정하였다. 코일의 경우, 코일의 직경, 감은 횟수, 코일의 저항을 설정하였다. 또한, 본 발명에 활용된 질량부의 무게, 자석 프레임, 코일 프레임 및 자석의 크기를 종합적으로 고려하여 질량 값을 설정하였다. 설정된 장치의 질량(mass)과 스프링(spring)에 의해 형성되는 감쇠 비를 설정하였다. 장치의 제원을 아래 표 1, 표 2에 나타내었다. 표 1과 표 2는 본 발명의 분석 모델에 활용된 에너지 하베스팅 장치의 제원을 나타낸다. 표 1에서 진동 패널은 질량부를 나타낸다.
앞서 설명한 개념과 제원을 고려한 분석 모델을 통해 출력 전력을 계산하였다. 제안된 장치의 전기 회로는 테브난(Thevenin)의 등가회로 정리를 반영하여 코일의 저항 값과 배터리의 하중 저항과 동일하게 설정하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 하였다. 현실성을 고려하여 본 발명의 에너지 하베스팅 장치의 효율을 50%로 설정하였다. 레일부에서 발생하는 마찰력은 무시하였다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 분석 모델을 활용한 시간에 따른 출력 전압 값을 나타낸다. 도 10은 수치해석을 통해 계산된 시간에 따른 전압 값이며, 아래 표 3은 본 발명의 분석 모델을 활용한 계산된 전압을 토대로 계산된 전력 값이다.
본 발명의 분석 모델을 활용하여 계산된 전압과 전력 값을 확인한 결과, 기타 다른 에너지 하베스팅 장치와 비교하였을 때, 의미 있는 수준의 전기 에너지를 생산하였다. 또한, 본 발명의 에너지 하베스팅 장치는 기존에 사용되는 풍력발전 장치와 비교하였을 때, 생산되는 전력은 상대적으로 적지만, 대공간 설치가 가능하기 때문에 더 많은 수의 장치를 설치하여 전기 에너지를 획득할 수 있다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 하우징
200: 진동부
300: 전기부
400: 질량부
500: 레일부
200: 진동부
300: 전기부
400: 질량부
500: 레일부
Claims (9)
- 구조물에 부착가능하고, 일면에 개구가 형성되고 내부가 빈 육면체 구조의 하우징;
상기 하우징의 개구와 마주보는 내면으로부터 소정 간격 떨어져 배치되고, 양 단부는 상기 하우징의 서로 마주보는 한 쌍의 내측면에 고정되고, 상기 양 단부 사이의 양 측부는 상기 하우징의 서로 마주보는 다른 한 쌍의 내측면으로부터 이격되어 상기 하우징에 고정되지 않는 판 형상의 진동부;
상기 하우징의 내면과 상기 진동부 사이에 배치되는 전기부; 및
상기 진동부의 양 측부와 상기 하우징의 다른 한 쌍의 내측면 사이에 각각 배치되는 레일부;를 포함하고,
상기 레일부는 상기 하우징의 개구로부터 상기 하우징의 내면 측 방향으로 소정의 길이를 갖는 레일 및 상기 레일 상에서 상기 레일을 따라 이동가능하고 상기 진동부의 양 측부에 배치된 베어링을 포함하고,
상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이, 유체의 변압에 의해 일 방향으로 진동하여 상기 전기부에서 전기가 발생되고,
상기 진동부 중에서 양 단부를 제외한 부분이 진동하면, 상기 베어링은 상기 레일 상에서 직선 왕복 운동하는,
유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하우징의 내면과 상기 진동부에 각각 연결되는 상기 전기부는,
코일; 및, 상기 코일 양 측면 각각에, 상기 코일과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석들;을 포함하고,
상기 코일과 자석들 중 어느 하나는 상기 하우징의 내면에 연결되고, 나머지 하나는 진동부에 연결되고,
상기 진동부의 진동으로 상기 코일과 자석들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생하는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 진동부의 중간부에 배치되어, 상기 진동부와 함께 진동하는 질량부;를 더 포함하는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
- 제 5 항에 있어서,
상기 하우징의 내면과 상기 질량부에 각각 연결되는 상기 전기부는,
코일; 및, 상기 코일 양 측면 각각에, 상기 코일과 소정 거리 이격되어 배치되는 자석들;을 포함하고,
상기 코일과 자석들 중 어느 하나는 상기 하우징의 내면에 연결되고, 나머지 하나는 상기 질량부에 연결되고,
상기 질량부의 진동으로 상기 코일과 자석들 중 어느 하나가 일 방향으로 진동하여 전기가 발생하는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 질량부 및 상기 진동부는 소정의 판이고,
상기 질량부의 크기는 상기 진동부의 크기보다 작고,
상기 질량부는 상기 진동부의 앞이나 뒤에, 또는 앞과 뒤 모두에 배치되는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항, 제 6 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동부는 금속 재질 또는 가요성(可撓性)이 있는, 유체의 변압을 이용한 구조물 부착형 에너지 하베스팅 장치.
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