KR102386455B1 - 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 피스톤에 마그네틱 링을 구비하는 실린더의 외측에 설치되는 발전 시스템에 관한 것이며, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 두 가지 이상의 에너지 하베스팅 방법을 접목하여 체적에 비례하여 더 많은 전력을 확보하는데 있다.
일례로, 캔틸레버 형태로 일측이 내부에 고정된 제1 압전 소자; 상기 제1 압전 소자의 타측에 결합되어 상기 피스톤의 왕복 운동에 따른 상기 마그네틱 링과의 자기력에 의해 상하 방향으로 이동하여 상기 제1 압전 소자를 변형 및 진동시키는 제1 마그네틱 진동추; 상기 제1 압전 소자의 타측 하부에 이격 배치되고, 상기 제1 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제1 기전력 발생 부재; 일측이 상기 제1 압전 소자의 타측 상부와 이격된 상태로 연결된 제2 압전 소자; 상기 제2 압전 소자의 타측 하부에 연결된 제2 마그네틱 진동추; 상기 제2 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제2 기전력 발생 부재; 일측이 상기 제2 기전력 발생 부재를 지지하고, 타측이 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부와 연결되되 상기 제1 압전 소자의 타측 하부와 이격된 제3 압전 소자; 및 상기 제1 압전 소자, 상기 제2 압전 소자, 상기 제3 압전 소자, 상기 제1 기전력 발생 부재 및 상기 제2 기전력 발생 부재에 의해 발생되는 전력을 외부기기와의 통신을 위해 이용하는 통신 모듈을 포함하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템을 개시한다.

Description

에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템{HYBRID POWER GENERATION SYSTEM OF ENERGY STAND ALONE TYPE}

본 발명의 실시예는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.

에너지 하베스팅이란 기기 주변의 환경 에너지 및 태양 과 바람과 같은 주변에서 발생되는 에너지를 수거하여 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술을 말한다.

이러한 하베스팅 기술과 관련하여, 버려지거나 활용되지 않는 자원에서 에너지를 수확하는 에너지는 μW ~ mW의 범위를 가지고 있으며 최대한 많은 에너지를 얻기 위하여 다양한 구조와 방법들이 연구되고 있다.

에너지를 변환하는 과정에서 사용되고 있는 대표적인 하베스팅 시스템은 열에너지 변환, 압전 에너지, 전자기유도 에너지, 정전기에너지, RF 에너지 등으로 많이 사용되고 있다. 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하여 얻는 에너지원은 압전, 정전기, 전자기유도, RF 에너지 등 다양하게 구성되어 사용된다.

현재, 무선센서 시스템에서 많이 사용되는 방법으로는 배터리를 사용하고 있으며 동작시간 및 수명을 늘리기 위하여 저전력 IC칩과 전자소자들이 무수히 개발되어 만들어지고 있으나 배터리의 수명은 정해져 있기 때문에 그에 따른 주기적인 교체와 관리로 인한 부가적인 비용이 크게 발생되고 있다.

배터리의 주기적인 교체와 관리비용 발생이 문제시 되는 곳에는 에너지 하베스팅 기술의 접목이 필요한 상황이다.

그러나, 큰 전력을 얻기 위해서는 소자의 체적이 커지고 일정 이상의 에너지를 얻기 위해서는 포화상태가 되거나 더 큰 에너지를 얻기 위해서 구조적인 면에서도 제한적이게 된다.

공개특허공보 제10-2010-0108015호(공개일자: 2010년10월06일) 공개특허공보 제10-2012-0117547호(공개일자: 2012년10월24일)

본 발명의 실시예는, 두 가지 이상의 에너지 하베스팅 방법을 접목하여 체적에 비례하여 더 많은 전력을 확보하기 위한 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템은, 피스톤에 마그네틱 링을 구비하는 실린더의 외측에 설치되어 에너지를 자립적으로 생성하기 위한 발전 시스템에 관한 것으로, 캔틸레버 형태로 일측이 내부에 고정된 제1 압전 소자; 상기 제1 압전 소자의 타측에 결합되어 상기 피스톤의 왕복 운동에 따른 상기 마그네틱 링과의 자기력에 의해 상하 방향으로 이동하여 상기 제1 압전 소자를 변형 및 진동시키는 제1 마그네틱 진동추; 상기 제1 압전 소자의 타측 하부에 이격 배치되고, 상기 제1 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제1 기전력 발생 부재; 일측이 상기 제1 압전 소자의 타측 상부와 이격된 상태로 연결된 제2 압전 소자; 상기 제2 압전 소자의 타측 하부에 연결된 제2 마그네틱 진동추; 상기 제2 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제2 기전력 발생 부재; 일측이 상기 제2 기전력 발생 부재를 지지하고, 타측이 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부와 연결되되 상기 제1 압전 소자의 타측 하부와 이격된 제3 압전 소자; 및 상기 제1 압전 소자, 상기 제2 압전 소자, 상기 제3 압전 소자, 상기 제1 기전력 발생 부재 및 상기 제2 기전력 발생 부재에 의해 발생되는 전력을 외부기기와의 통신을 위해 이용하는 통신 모듈을 포함한다.

또한, 상기 압전 소자를 캔틸레버 형태로 고정하는 고정 부재를 더 포함하고, 상기 고정 부재는, 상기 압전 소자의 일측을 고정시키는 포스트; 및 상기 포스트의 하단으로부터 상기 압전 소자와 나란한 방향으로 대향하도록 형성되며, 상기 제1 마그네틱 진동추와 대향하는 부분에 개방 홀이 형성된 바텀 플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 기전력 발생 부재는, 상기 바텀 플레이트의 단부 상면에 고정되고, 상기 제1 압전 소자와 상기 바텀 플레이트 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 상기 제1 마그네틱 진동추가 삽입된 원통형의 제1 권취 부재; 및 상기 제1 권취 부재에 권취되고, 상기 제1 마그네틱 진동추의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 상기 통신 모듈로 제공하는 제1 코일을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 기전력 발생 부재는, 상기 제1 권취 부재의 상단과 하단 각각의 외주연으로부터 상기 제1 권취 부재의 길이 방향에 대하여 수직한 방향을 따라 각각 연장되어 상호 대향하며, 평평한 고리 형태로 각각 이루어진 상부 링 플레이트와 하부 링 플레이트를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 압전 소자의 타측 상부로부터 상기 제2 압전 소자를 지지하며, 상기 제1 압전 소자의 타측 상부와 상기 제2 압전 소자의 일측 하부 간을 연결하는 제1 탄성 부재; 및 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부로부터 상기 제3 압전 소자를 지지하며, 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부와 상기 제3 압전 소자의 타측 하부 간을 연결하는 적어도 하나의 제2 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제3 압전 소자는, 상기 제1 압전 소자와 상기 제1 기전력 발생 부재 사이에 이격 배치되며 상기 제1 마그네틱 진동추가 관통하는 평평한 고리 형태의 링 플레이트; 및 일측이 상기 링 플레이트와 연결되고 타측 상부에 상기 제2 기전력 발생 부재가 고정된 바 형태의 압전 플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 기전력 발생 부재는, 상기 제3 압전 소자의 일측 상부에 고정되고, 상기 제2 압전 소자와 상기 제3 압전 소자 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 상기 제2 마그네틱 진동추가 삽입된 원통형의 제2 권취 부재; 및 상기 제2 권취 부재에 권취되고, 상기 제2 마그네틱 진동추의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 상기 통신 모듈로 제공하는 제2 코일을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 두 가지 이상의 에너지 하베스팅 방법을 접목하여 체적에 비례하여 더 많은 전력을 확보하기 위한 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템이 적용될 공압 또는 유압식 실린더의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따라 실린더에 적용된 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4은 본 실시예에 따른 캔틸레버 구조의 제1 에너지 하베스팅 장치의 구성 및 작용을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 제1 에너지 하베스팅 장치에 의해 발생된 전압을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제2 에너지 하베스팅 장치에 적용되는 구조물을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 실시예에 따른 캔틸레버 구조의 제2 에너지 하베스팅 장치의 구성 및 작용을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 제2 에너지 하베스팅 장치에 의해 발생된 전압을 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템의 추가 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 제3 압전 소자의 구성을 나타낸 평면도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

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 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템이 적용될 공압 또는 유압식 실린더의 개략적 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 실시예에 따라 실린더에 적용된 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3 및 도 4은 본 실시예에 따른 캔틸레버 구조의 제1 에너지 하베스팅 장치의 구성 및 작용을 나타낸 도면이다.

우선, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템(1000)은 실린더(10)의 유/무선 통신 전력을 공급하는데 이용될 수 있다.

상기 실린더(10)는 산업공정에서 제품을 옮기거나 고정할 때 주로 많이 사용되는데, 일반적으로, 실린더(10) 내부의 피스톤(11)에 마그네틱 링(12)이 장착되어 있어, 홀 센서(미도시)가 마그네틱 링(12)을 감지하고, 실린더(10)의 동작상태를 확인하는 용도로 사용되고 있다. 이러한 실린더(10) 내부에 있는 마그네틱 링(12)이 피스톤(12)이 동작하면서 움직일 때 외부에 장착되어 있는 홀 센서(미도시)의 자석과 반응하게 되는데, 좀 더 구체적으로 서로 당기고 밀어내게 된다.

본 실시예에서는 이와 같은 실린더(10)의 피스톤(11)에 장착된 마그네틱 링(12)과의 상호 작용을 이용하여 에너지 하베스팅을 통한 1차적인 전력을 얻어 낼 수 있으며, 이하에서는 에너지 하베스팅을 통한 1차적인 전력을 얻기 위한 캔틸레버 구조의 제1 에너지 하베스팅 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템(1000)은 제1 압전 소자(100), 제1 마그네틱 진동추(200), 고정 부재(300) 및 통신 모듈(미도시)을 포함한다.

상기 제1 압전 소자(100)는 캔틸레버 형태로 일측이 내부 즉, 후술하는 포스트(310)의 상부에 고정될 수 있다. 이러한 제1 압전 소자(100)는 얇고 긴 막대 형태로 이루어질 수 있으며, 내부에는 압전 재료(또는 압전 물질) 즉 특정 방향으로 압력을 가하면 결정체의 표면에 전기가 발생하는 성질을 지는 물질과, 해당 물질의 상/하단에 연결된 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 이러한 금속 플레이트는 전극 역할을 하여 압전 재료(혹은 물질 물질)로부터 발생되는 전기적 신호를 정류시켜 직류로 변환한 후 내장 배터리에 전달하여 충전될 수 있도록 한다.

상기 제1 마그네틱 진동추(200)는, 제1 압전 소자(100)의 타측 하단부에 결합되어 하방을 향하는데, 즉 후술하는 바텀 플레이트(320)를 향해 설치되되, 바텀 플레이트(320)와는 이격된 상태로 설치될 수 있다. 또한, 제1 마그네틱 진동추(200)는 피스톤(11)의 왕복 운동에 따른 마그네틱 링(12)과의 자기력에 의해 상하 방향으로 이동함으로써 제1 압전 소자(100)를 상하 방향으로 변형 및 진동시킬 수 있다.

이러한 제1 마그네틱 진동추(200)는 원통형으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 소정의 길이와 질량(무게)를 갖는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 압전 하베스팅은 기계적 에너지 진동을 이용하여 전기 에너지를 발생시키는데, 이와 같이 대부분의 압전 에너지 하베스팅은 캔틸레버 방식에 끝단에 소정의 질량을 갖는 물체를 부착하는 방식이 이용된다. 이러한 이유는 고정-자유 경계조건이 압전 재료에 가장 큰 변형(혹은 변형율)을 발생시키기 때문이다. 공압 또는 유압 실린더(10) 내부의 마그네틱 링(12)과 제1 압전 소자(100)의 끝단에 고정되어 있는 제1 마그네틱 진동추(200) 사이에서 자기력이 발생되고, 이러한 자기력에 의해 캔틸레버 구조의 제1 압전 소자(100)의 변형(진동)이 발생됨으로써 전력이 발생될 수 있다.

상기 고정 부재(300)는 제1 압전 소자(100)를 캔틸레버 형태로 고정하기 위한 수단으로, 포스트(310)와 바텀 플레이트(320)를 포함할 수 있다.

상기 포스트(310)는, 대략 수직하게 기립된 플레이트 구조로 이루어질 수 있으며, 그 상부에는 제1 압전 소자(100)의 일측이 고정될 수 있다.

상기 바텀 플레이트(320)는, 포스트(310)의 하단으로부터 대략 수직하게 절곡 연장된 대략 플레이트 구조로 이루어질 수 있고, 포스트(310)의 하단으로부터 제1 압전 소자(100)와 나란한 방향으로 대향하도록 형성되며, 제1 마그네틱 진동추(200)와 대향하는 부분에 개방 홀(321)이 형성될 수 있다. 이러한 개방 홀(321)은 제1 마그네틱 진동추(200)와 피스톤(11)에 장착된 마그네틱 링(12) 간에 자기력 발생 시 간섭을 최소화하기 위한 형태로, 특히, 포스트(310)의 높이가 고정된 상태에서 제1 마그네틱 진동추(200)의 상하 이동 시 진동 폭을 최대화시키는 역할을 할 수 있다.

이러한 포스트(310)와 바텀 플레이트(320)는 제1 마그네틱 진동추(200)와 피스톤(11)에 설치된 마그네틱 링(12) 간의 자기력 발생에 간섭 혹은 방해가 되지 않은 물질과 구조로 이루어질 수 있다.

상기 통신 모듈(미도시)는, 제1 압전 소자(100)의 변형(진동)에 의해 발생되는 전력을 외부기기(실린더 모니터링/제어장치)와의 통신을 위해 이용할 수 있다. 즉, 통신 모듈(미도시)은 실린더(10)의 동작상태를 모니터링하기 위한 데이터를 외부로 무선 혹은 유선 방식으로 전송하는데, 이때 필요한 전력을 압전 소자(10)에 의해 발생되는 전력을 이용할 수 있다는 것이다.

도 5는 본 발명의 실험예에 따른 제1 에너지 하베스팅 장치에 의해 발생된 전압을 측정한 그래프이다.

도 5에 도시된 실험예를 위하여 사용된 제1 압전 소자(100)는 MIDE사 PPA-1022를 사용하여 캔틸레버 형태의 실험 구조물을 3D프린터를 통해 제작한 것이며, 해당 압전 소자의 성능은 아래의 표 1과 같다.

<표 1>

본 실험예에서 제1 압전 소자(100)의 표면과 마그네틱(200)의 높이에 따라 제1 압전 소자(100)의 변형율이 발생되어 두 자석간의 인력과 척력으로 인한 진동(떨림)이 발생하였을 때 발생되는 전력 값을 알아보기 위해 도 3에 도시된 구조와 같다.

도 3의 제1 에너지 하베스팅 장치에서, 캔틸레버형 제1 압전 소자(100) 끝단에 지름 8 mm, 높이 10 mm의 네오듐 자석을 제1 마그네틱 진동추(200)로서 부착하였고, 마그네틱 링(12)이 움직일 때마다 척력과 응력이 발생하여 제1 마그네틱 진동추(200)가 반응하게 되고, 이에 따른 캔틸레버형 제1 압전 소자(100)의 반발력과 휘어짐으로 인해 전력이 발생하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 실린더(10)의 표면에 제1 마그네틱 진동추(200)가 붙으면서 제1 압전 소자(100)의 변형에 의해 순간 전력이 발생하였고, 제1 마그네틱 진동추(200)가 실린더(10)의 표면으로부터 떨어지면서 발생되는 진동에 의해 전력이 발생되는 파형을 확인 할 수 있었다.

하기의 표 2의 결과와 같이, 실린더(10) 내부의 마그네틱 링(12)이 움직였을 때 캔틸레버형 압전 소자(10)에 부착되어있는 제1 마그네틱 진동추(200)가 자기력에 의해 반응하여 압전 소자(10)의 변형을 일으키는 거리는 약 4~6 mm가 적당하며 최대 0.178 mW가 발생되었다. 이러한 발생전력을 수집하여 전원부로 사용할 수 있다.

<표 2>

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제2 에너지 하베스팅 장치에 적용되는 구조물을 나타낸 도면이며, 도 7 및 도 8은 본 실시예에 따른 캔틸레버 구조의 제2 에너지 하베스팅 장치의 구성 및 작용을 나타낸 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템(1000)은 더 많은 발전 전력을 발생시키기 위한 제1 기전력 발생 부재(400)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 기전력 발생 부재(400)는, 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키기 위한 수단으로, 권취 부재(410), 제1 코일(420), 상부 링 플레이트(430) 및 하부 링 플레이트(440)를 포함할 수 있다.

상기 권취 부재(410)는, 바텀 플레이트(320)의 단부 상면에 고정되고, 제1 압전 소자(100)와 바텀 플레이트(320) 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 제1 마그네틱 진동추(200)가 그 내부에 일부 삽입될 수 있다. 즉, 권취 부재(410)의 높이는 바텀 플레이트(320)의 상면에서부터 제1 압전 소자(100)의 바닥면까지 닿지 않을 정도의 높이로 이루어지며, 이때 제1 마그네틱 진동추(200)의 일측이 권취 부재(410)의 내부에 일부 삽입될 수 있다.

이러한 권취 부재(410)는 원통형으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 마그네틱 진동추(200)의 구조에 따라 다양하게 변경 가능하다.

상기 제1 코일(420)은, 권취 부재(410)의 외주면에 권취되고, 제1 마그네틱 진동추(200)의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 통신 모듈(미도시)로 추가 제공할 수 있다.

상기 상부 링 플레이트(430)는, 권취 부재(410)의 상단의 외주연으로부터 권취 부재(410)의 길이 방향에 대하여 수직한 방향을 따라 연장되어 하부 링 플레이트(440)와 상호 대향할 수 있다. 이러한 상부 링 플레이트(430)는 평평한 고리 형태로 이루어질 수 있다.

상기 하부 링 플레이트(440)는 권취 부재(410)의 하단의 외주연으로부터 권취 부재(410)의 길이 방향에 대하여 수직한 방향을 따라 연장되어 상부 링 플레이트(430)와 상호 대향할 수 있다. 하부 링 플레이트(440)는 평평한 고리 형태로 이루어질 수 있다.

이러한 상부 링 플레이트(430)는, 제1 압전 소자(100)의 하방 진동 폭을 한정할 수 있으며, 제1 압전 소자(100)와 부딪히면서 제1 압전 소자(100)의 진동 주기를 증가시킬 수 있다.

또한, 하부 링 플레이트(440)는 제1 기전력 발생 부재(400)를 바텀 플레이트(320)에 고정시키는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 하부 링 플레이트(440)의 하면에는 고정 돌기(441)가 형성될 수 있으며, 이러한 고정 돌기(441)는 바텀 플레이트(320)의 개방 홀(322) 주변에 추가 형성되는 고정 홈(322)에 삽입됨으로써, 제1 기전력 발생 부재(400)를 바텀 플레이트(320)에 고정시킬 수 있다. 이때, 삽입 방식으로는, 슬라이딩 삽입, 억지끼움 방식 등 다양한 방법으로 제1 기전력 발생 부재(400)를 바텀 플레이트(320)에 견고히 결합되어 고정될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제2 에너지 하베스팅 장치에 의해 발생된 전압을 측정한 그래프이다.

본 실험예에서는 제1 코일(420)을 추가하여 제1 마그네틱 진동추(200)의 반동에 의한 진동 현상으로 얻을 수 있는 기전력의 결과를 하기의 표 3과 같이 정리하였다.

<표 3>

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 페러데이의 법칙에 의해 권선수에 비례하여 얻어지는 전력을 더욱 크게 얻어지며, 캔틸레버형 제1 압전 소자(100)에 고정된 제1 마그네틱 진동추(200)의 진동을 통해 기전력을 추가적으로 얻을 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템의 추가 구성을 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10에 도시된 제3 압전 소자의 구성을 나타낸 평면도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템(1000)은 제2 압전 소자(500), 제2 마그네틱 진동추(600), 제2 기전력 발생 부재(700), 제3 압전 소자(800) 및 제1 및 제2 탄성 부재(910, 920)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 압전 소자(500)는 일측이 제1 탄성 부재(910)를 통해 제1 압전 소자(100)의 타측 상부와 이격된 상태로 연결될 수 있으며, 그 구조가 대략 바 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 제2 압전 소자(500)는 제1 탄성 부재(910)에 의해 일측 하부가 제1 탄성 부재(910)의 상부에 고정되어 캔틸레버 형태로 이루어질 수 있으며, 제1 압전 소자(100)의 진동에 의한 상하 운동 시 제1 탄성 부재(910)에 의해 탄력을 추가적으로 받아 상하 진동하며 전기를 발생시킬 수 있다.

상기 제2 압전 소자(500)의 내부에는 압전 재료(또는 압전 물질) 즉 특정 방향으로 압력을 가하면 결정체의 표면에 전기가 발생하는 성질을 지는 물질과, 해당 물질의 상/하단에 연결된 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 이러한 금속 플레이트는 전극 역할을 하여 압전 재료(혹은 물질 물질)로부터 발생되는 전기적 신호를 정류시켜 직류로 변환한 후 내장 배터리에 전달하여 충전될 수 있도록 한다.

상기 제2 마그네틱 진동추(600)는 제2 압전 소자(500)의 타측 하부에 결합되어 하방을 향하도록 고정되며, 일부가 제2 기전력 발생 부재(700)의 내부에 배치될 수 있다. 이러한 제2 마그네틱 진동추(600)는 제2 압전 소자(500)의 상하 방향으로 변형 및 진동을 더욱 가중시키며, 제2 기전력 발생 부재(700)와의 상호 작용을 통한 전력을 발생시킬 수 있도록 한다.

상기 제2 기전력 발생 부재(700)는 제2 마그네틱 진동추(600)가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시킬 수 있다. 이를 위해 제2 기전력 발생 부재(700)는 제2 권취 부재(710)와 제2 코일(720)을 포함할 수 있다.

상기 제2 권취 부재(710)는, 제3 압전 소자(800)의 일측 상부에 고정되고, 제2 압전 소자(500)와 제3 압전 소자(800) 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 제2 마그네틱 진동추(600)의 일부가 삽입된 원통형 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 도 11의 A1(제2 기전력 발생 부재 설치 존)을 참조하면, 압전 플레이트(820)의 단부 상에 배치될 수 있다.

상기 제2 코일(720)은 제2 권취 부재(710)에 권취되고, 제2 마그네틱 진동추(600)의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 통신 모듈(미도시)로 제공할 수 있다.

상기 제3 압전 소자(800)는 그 일측이 제2 기전력 발생 부재(700)를 지지하고, 타측이 제1 기전력 발생 부재(400)의 상부와 연결되어 제1 기전력 발생 부재(400) 상에 설치되는 제2 탄성 부재(920)에 의해 지지될 수 있으며, 제1 압전 소자(100)의 타측 하부와 이격되는 위치에 설치될 수 있다. 이러한 제3 압전 소자(800)는 링 플레이트(810)와 압전 플레이트(820)를 포함할 수 있다.

상기 링 플레이트(810)는 제1 기전력 발생 부재(400) 상에 설치된 다수의 제2 탄성 부재(920)에 의해 지지되며, 제2 탄성 부재(920)의 길이에 의해 제1 압전 소자(100)와 제1 기전력 발생 부재(400) 사이에 이격 배치될 수 있으며, 그 이격 거리는 제1 압전 소자(100)의 상하 진동 폭보다 짧게 설정되어 제1 압전 소자(100)가 상하로 진동할 때 부딪혀 타격될 수 있을 정도인 것이 바람직하다.

상기 링 플레이트(810)는, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 마그네틱 진동추(200)가 관통하는 평평한 고리 형태 예를 들어 상부 링 플레이트(430)와 대응되는 형태로 이루어질 수 있으며, 진동 계수가 높은 물질(즉 진동이 잘되는 재질 또는 물질) 또는 제1 및 제2 압전 소자(100, 500)와 동일한 구성으로도 이루어질 수 있다. 즉, 링 프렐이트(810)가 압전 소자로서 역할을 하는 경우, 그 의 내부에는 압전 재료(또는 압전 물질) 즉 특정 방향으로 압력을 가하면 결정체의 표면에 전기가 발생하는 성질을 지는 물질과, 해당 물질의 상/하단에 연결된 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 이러한 금속 플레이트는 전극 역할을 하여 압전 재료(혹은 물질 물질)로부터 발생되는 전기적 신호를 정류시켜 직류로 변환한 후 내장 배터리에 전달하여 충전될 수 있도록 한다.

상기 압전 플레이트(820)는, 도 11에 도시된 바와 같이 그 일측이 링 플레이트(810)와 연결되고, 도 10에 도시된 바와 같이 그 타측 상부에 제2 기전력 발생 부재(700)가 고정된 바 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 고리 형태의 링 플레이트(810)의 일측 변에서 링 플레이트(810)와 나란 방향으로 연장된 바 형태의 구조로 이루어질 수 있다.

상기 압전 플레이트(820)의 내부에는 압전 재료(또는 압전 물질) 즉 특정 방향으로 압력을 가하면 결정체의 표면에 전기가 발생하는 성질을 지는 물질과, 해당 물질의 상/하단에 연결된 금속 플레이트를 포함할 수 있으며, 이러한 금속 플레이트는 전극 역할을 하여 압전 재료(혹은 물질 물질)로부터 발생되는 전기적 신호를 정류시켜 직류로 변환한 후 내장 배터리에 전달하여 충전될 수 있도록 한다.

상기 제1 탄성 부재(910)는 제1 압전 소자(100)의 타측 상부로부터 제2 압전 소자(500)를 지지하며, 제1 압전 소자(100)의 타측 상부와 제2 압전 소자(500)의 일측 하부 간을 이격된 상태로 연결시킬 수 있다. 이러한 탄성 부재(910)는 제1 마그네틱 진동추(200)와 동일한 수직선 상에 배치될 수 있으며, 스프링 등 상하 방향으로 탄성력을 제공 또는 전달할 수 있는 구조물이면 적용 가능하다.

상기 제2 탄성 부재(920)는 제1 기전력 발생 부재(400)의 상부로부터 제3 압전 소자(800)를 지지하며, 제1 기전력 발생 부재(400)의 상부와 제3 압전 소자(800)의 타측 하부 간을 연결할 수 있다. 이러한 제2 탄성 부재(920)는 도 11에 도시된 바와 같이 링 플레이트(810) 상을 따라 균일하게 배치된 다수 개로 이루어질 수 있으며(A2: 제2 탄성 부재 설치 존 참조), 스프링 등 상하 방향으로 탄성력을 제공 또는 전달할 수 있는 구조물이면 적용 가능하다.

이에 따라, 통신 모듈(미도시)은, 제1 압전 소자(100), 제1 기전력 발생 부재(400)뿐만 아니라 제2 압전 소자(500), 제2 기전력 발생 부재(600) 및 제3 압전 소자(800)에 의해 발생되는 전력을 수집하고, 이를 이용하여 외부기기와의 통신을 위해 이용할 수 있다.

본 실시예의 추가 구성에 따른 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템(1000)은 제1 압전 소자(100), 제1 마그네틱 진동추(200) 및 제1 기전력 발생 부재(400)에 의해 발생되는 전력뿐만 아니라, 제1 탄성 부재(910)가 제1 압전 소자(100)의 상하 운동에 의한 힘을 제2 압전 소자(500)에 전달함으로써 제2 압전 소자(500)의 움직임에 의한 전력, 제2 압전 소자(500)의 움직임에 의해 제2 마그네틱 진동추(600)가 상하 방향으로 움직임으로써, 제2 기전력 발생 부재(700)와의 상호 작용에 의해 발생되는 전력, 제1 압전 소자(100)가 제2 압전 소자(500)를 타격함으로써 제2 탄성 부재(920)에 의해 가중되는 진동에 의한 제2 압전 소자(500)로부터 발생되는 전력 등을 복합 구조물에 의해 추가적으로 얻을 수 있으며, 제2 및 제3 압전 소자(500, 800)의 상하 진동에 따라 제2 마그네틱 진동추(600)와 제2 기전력 발생 부재(700) 간의 상하 진동 거리를 가중시켜 효율적인 전력 생산도 가능하다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1000: 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템
100: 제1 압전 소자
200: 제1 마그네틱 진동추
300: 고정 부재
310: 포스트
320: 바텀 플레이트
321: 개방 홀
322: 고정 홈
400: 제1 기전력 발생 부재
410: 제1 권취 부재
420: 제1 코일
430: 상부 링 플레이트
440: 하부 링 플레이트
441: 고정 돌기
500: 제2 압전 소자
600: 제2 마그네틱 진동추
700: 제2 기전력 발생 부재
710: 제2 권취 부재
720: 제2 코일
800: 제3 압전 소자
810: 링 플레이트
820: 압전 플레이트
910: 제1 탄성 부재
920: 제2 탄성 부재
A1 제2 기전력 발생 부재 설치 존
A2: 제2 탄성 부재 설치 존
10: 실린더
11: 피스톤
12: 마그네틱 링

Claims (7)

1. 피스톤에 마그네틱 링을 구비하는 실린더의 외측에 설치되어 에너지를 자립적으로 생성하기 위한 발전 시스템에 관한 것으로,
   일측이 고정 부재에 고정되어 캔틸레버 형태로 형성된 제1 압전 소자;
   상기 제1 압전 소자의 타측에 결합되어 상기 피스톤의 왕복 운동에 따른 상기 마그네틱 링과의 자기력에 의해 상하 방향으로 이동하여 상기 제1 압전 소자를 변형 및 진동시키는 제1 마그네틱 진동추;
   상기 제1 압전 소자의 타측 하부에 이격 배치되고, 상기 제1 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제1 기전력 발생 부재;
   일측이 상기 제1 압전 소자의 타측 상부와 이격된 상태로 연결된 제2 압전 소자;
   상기 제2 압전 소자의 타측 하부에 연결된 제2 마그네틱 진동추;
   상기 제2 마그네틱 진동추가 상하 방향으로 이동함에 따라 기전력을 발생시키는 제2 기전력 발생 부재;
   일측이 상기 제2 기전력 발생 부재를 지지하고, 타측이 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부와 연결되되 상기 제1 압전 소자의 타측 하부와 이격된 제3 압전 소자; 및
   상기 제1 압전 소자, 상기 제2 압전 소자, 상기 제3 압전 소자, 상기 제1 기전력 발생 부재 및 상기 제2 기전력 발생 부재에 의해 발생되는 전력을 외부기기와의 통신을 위해 이용하는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 압전 소자의 일측을 캔틸레버 형태로 고정하는 상기 고정 부재를 더 포함하고,
   상기 고정 부재는,
   상기 압전 소자의 일측을 고정시키는 포스트; 및
   상기 포스트의 하단으로부터 상기 압전 소자와 나란한 방향으로 대향하도록 형성되며, 상기 제1 마그네틱 진동추와 대향하는 부분에 개방 홀이 형성된 바텀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 기전력 발생 부재는,
   상기 바텀 플레이트의 단부 상면에 고정되고, 상기 제1 압전 소자와 상기 바텀 플레이트 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 상기 제1 마그네틱 진동추가 삽입된 원통형의 제1 권취 부재; 및
   상기 제1 권취 부재에 권취되고, 상기 제1 마그네틱 진동추의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 상기 통신 모듈로 제공하는 제1 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 기전력 발생 부재는,
   상기 제1 권취 부재의 상단과 하단 각각의 외주연으로부터 상기 제1 권취 부재의 길이 방향에 대하여 수직한 방향을 따라 각각 연장되어 상호 대향하며, 평평한 고리 형태로 각각 이루어진 상부 링 플레이트와 하부 링 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 압전 소자의 타측 상부로부터 상기 제2 압전 소자를 지지하며, 상기 제1 압전 소자의 타측 상부와 상기 제2 압전 소자의 일측 하부 간을 연결하는 제1 탄성 부재; 및
   상기 제1 기전력 발생 부재의 상부로부터 상기 제3 압전 소자를 지지하며, 상기 제1 기전력 발생 부재의 상부와 상기 제3 압전 소자의 타측 하부 간을 연결하는 적어도 하나의 제2 탄성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제3 압전 소자는,
   상기 제1 압전 소자와 상기 제1 기전력 발생 부재 사이에 이격 배치되며 상기 제1 마그네틱 진동추가 관통하는 평평한 고리 형태의 링 플레이트; 및
   일측이 상기 링 플레이트와 연결되고 타측 상부에 상기 제2 기전력 발생 부재가 고정된 바 형태의 압전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 기전력 발생 부재는,
   상기 제3 압전 소자의 일측 상부에 고정되고, 상기 제2 압전 소자와 상기 제3 압전 소자 간의 이격 거리보다 짧은 높이를 가지며, 상기 제2 마그네틱 진동추가 삽입된 원통형의 제2 권취 부재; 및
   상기 제2 권취 부재에 권취되고, 상기 제2 마그네틱 진동추의 상하 이동에 따라 발생되는 전력을 상기 통신 모듈로 제공하는 제2 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 자립형 하이브리드 발전 시스템.
   

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