KR102397611B1 - 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템 - Google Patents

압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소 현장의 Cooling Air Fan이나 다수의 에어 인테이크 덕트 또는 토출 덕트 유입구 등에서 발생하는 공기의 유동(바람) 운동 에너지를 전력으로 전환하고, 이를 통해 생산되는 전력의 충전 및 출력 전력을 실시간으로 감지할 수 있도록 구현한 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템에 관한 것으로, 바람에 의해 형성되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전부; 상기 발전부에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전하여 두며, 전력 감지 센서를 이용하여 상기 ESS 캐패시터에 저장되는 전력을 실시간으로 감지하는 충전부; 상기 충전부의 상기 전력 감지 센서로부터 센서 데이터를 실시간으로 수신받아 저장해 두는 동시에 상기 충전부의 전력 생산량을 모니터링 하는 모니터링 서버; 및 상기 모니터링 서버로부터 수신되는 데이터를 시각화하여 출력하는 모니터링 대시보드;를 포함한다.

Description

압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템{Small Wind Power Generation And Monitoring System Using Piezoelectric Element}
본 발명은 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소 현장의 Cooling Air Fan이나 다수의 에어 인테이크 덕트 또는 토출 덕트 유입구 등에서 발생하는 공기의 유동(바람) 운동 에너지를 전력으로 전환하고, 이를 통해 생산되는 전력의 충전 및 출력 전력을 실시간으로 감지할 수 있도록 구현한 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템에 관한 것이다.
정부의 탄소중립 정책 장려 및 신재생에너지 기술 적용을 통한 발전소 이미지 향상이 필요한 실정이다.
최근 들어 진동압전소자를 적용하여 생산된 전력을 저장하는 ESS 캐패시터에 다양한 아웃풋 출력단자를 통해 예비 전원으로 사용하고 있다.
진동압전센서를 이용한 소형풍력 발전 기술은, 기존 회전 날개형(이하 블레이드) 전력 생산 방식의 단점인 30~40% 수준의 낮은 변환 효율과 진동압전센서의 에너지하베스팅 기술의 단점인 부족한 진동 환경을 상호 보완할 수 있는 신개념 융합 에너지 변환 기술로 기술개발의 파급력이 매우 크다.
특히, 기존 소형 풍력의 발전 모듈의 인버터 내부 핵심 부품인 코일 스테이터는 제작 비용이 높고, 과부하로 인한 코일 손상은 스테이터 재사용이 불가능하며, 고장이 났을 경우 유지보수 비용이 높은 단점을 가지고 있다.
기존에는, 주로 대형 풍력 발전 위주로 기술 개발이 이루어져, 풍속계를 통해 바람의 방향을 감지하여 블레이드를 방향을 위치시키는 위치 제어용 모터가 별도로 구비되어 있었다.
기존 풍력 발전은, 모터 방식의 코일의 전자기 유도를 이용한 발전하는데, 과부하 시 코일에 유도되는 과전류 또는 코일의 전기적 저항에 따른 발열로 인하여 화재 발생하고, 또한, 중대형 풍력 발전의 경우 발전 코일의 과부하 방지를 위한 감속기 또는 브레이크가 내장되어 있으나, 이 또한 동작 시 마찰에 의한 열이 발생하여 화재의 위험성이 높다는 문제점을 가지고 있다.
모터 방식의 코일 발전 모듈은, 과부하 등으로 인한 코일 소손 및 중간 코일 단락 시 재사용 불가능하며, 코일 스테이터를 통째로 교체해야 하는 비용이 증가하고, 사실상 소형풍력의 경우 발전 코일의 고장은 제품 교체를 해야 하며, 일부 수리도 불가능하다는 점에서 유지보수 비용의 증가할 수 있다.
한편, 전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국공개특허 제10-2011-0122720호 한국공개특허 제10-2013-0035847호
본 발명의 일측면은 설치 환경에 따라 고정형과 회전형 블레이드로 구분되는 진동압전센서를 이용한 소형 풍력 발전 모듈을 구현하고, 진동압전센서로부터 생산된 전력을 저장하고, 각종 센서 및 LED 전원 대비용으로 가변 출력이 가능한 ESS 충전 시스템을 구비하며, 다수의 소형 풍력 모듈로부터 생성/충전되는 전력량과 가변 출력으로부터 사용되는 전력량을 실시간 감지할 수 있도록 구현한 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템은, 바람에 의해 형성되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전부; 상기 발전부에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전하여 두며, 전력 감지 센서를 이용하여 상기 ESS 캐패시터에 저장되는 전력을 실시간으로 감지하는 충전부; 상기 충전부의 상기 전력 감지 센서로부터 센서 데이터를 실시간으로 수신받아 저장해 두는 동시에 상기 충전부의 전력 생산량을 모니터링 하는 모니터링 서버; 및 상기 모니터링 서버로부터 수신되는 데이터를 시각화하여 출력하는 모니터링 대시보드;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 발전부는, 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 모듈; 바람이 불어오는 상기 발전 모듈의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 상기 발전 모듈로 회전 운동 에너지를 전달하는 블레이드; 및 상측에 상기 발전 모듈이 고정 설치되는 고정형 지지대;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발전부는, 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 모듈; 바람이 불어오는 상기 발전 모듈의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 상기 발전 모듈로 회전 운동 에너지를 전달하는 블레이드; 및 상기 발전 모듈이 회전하면서 상기 블레이드가 바람이 불어오는 방향을 바라볼 수 있도록 상기 발전 모듈이 상측에 회전 가능하도록 연결 설치되는 회전형 지지대;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 발전 모듈은, 내부 공간을 형성하는 케이스; 원형의 링 형태로 형성되어 상기 케이스의 내부 공간에 설치되며, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 스테이터; 및 원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전하면서 상기 스테이터를 진동시켜 주는 로터;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 로터는, 원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전되는 원통형 바디; 상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되는 N극 자성체; 및 상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 상기 N극 자성체와 번갈아 가면서 설치되는 S극 자성체;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스테이터는, 링 형태로 형성되는 링형 바디; 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 외측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산한 뒤 상기 충전부로 전달하는 제1 진동압전센서; 및 상기 제1 진동압전센서의 전단 외측 마다 각각 설치되며, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제1 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제1 영구자석;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스테이터는, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 내측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 내측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 제2 진동압전센서; 및 상기 제2 진동압전센서의 전단 내측 마다 각각 설치되며, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제2 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제2 영구자석;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스테이터는, 상기 링형 바디의 외주면을 따라 설치되며, 외향면을 따라 제1 나사산이 형성되는 회전 구동 벨트; 상기 회전 구동 벨트의 내주면을 따라 형성되는 제2 나사산에 맞물려 연결 설치되어 상기 회전 구동 벨트를 정방향 또는 역방향으로 회전 구동시켜 주는 벨트 회전 기어; 및 상기 제1 진동압전센서의 각 후단 마다 각각 설치되어 상기 회전 구동 벨트가 회전함에 따라 상기 제1 진동압전센서를 회전시켜 주는 센서 회전부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 센서 회전부는, "ㅁ" 형태로 형성되어 상기 링형 바디의 후단으로부터 외측 방향으로 연장 형성되는 링형 프레임의 전단에 설치되되, 일측 개구부가 상기 벨트 회전 기어와 대향하도록 설치되는 "ㅁ"형 프레임; 상기 "ㅁ"형 프레임의 내측에 배치되며, 상기 "ㅁ"형 프레임의 일측 개구부를 통해 외부로 노출되는 기어산이 상기 제1 나사산에 맞물려 연결 설치되어 상기 회전 구동 벨트가 회전함에 따라 함께 회전하는 회전 구동 기어; 및 상기 회전 구동 기어의 회전축을 형성하되, 상기 "ㅁ"형 프레임의 전방으로 노출되는 전단에 상기 제1 진동압전센서의 후단이 설치되어 상기 회전 구동 기어가 회전함에 따라 함께 회전되어 상기 제1 진동압전센서를 회전시켜 주는 회전 로드;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 영구자석은, 상기 제1 진동압전센서의 전단 외측에 설치되되, 일측 또는 타측으로 치우쳐서 설치될 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 기존 코일 스테이터(모터) 방식의 전력 생산이 아닌, 진동압전센서를 이용한 소형 풍력 발전을 이용하여 회전 운동 에너지를 진동에너지로 변환하여 전력을 생산함으로써, 에너지 변환 효율이 높고, 과부하로 인한 고장이 없으며, 부품 교체가 매우 단순하여 유지보수 비용이 대폭 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 도 1의 발전부의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 발전 모듈을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 스테이터의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 스테이터의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템(10)은, 20 개 이상의 발전부(100), 충전부(200), 모니터링 서버(300) 및 모니터링 대시보드(400)를 포함한다.
발전부(100)는, 20 개 이상이 설치되며, 각각이 바람에 의해 형성되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 생산한 전력을 충전부(200)로 전달한다.
일 실시예에서, 발전부(100)는, 후술하는 바와 같이 진동압전센서를 전기를 생산하는 바, 기존 모터 방식의 코일형 풍력 발전과 비교해 아직은 전력 생산량이 적기 때문에 20개 이상이 설치되어야 할 것이다.
충전부(200)는, 발전부(100)에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전하여 두며, 전력 감지 센서를 이용하여 ESS 캐패시터에 저장되는 전력을 실시간으로 감지한다.
일 실시예에서, 충전부(200)는, 다수 개의 발전부(100)에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전해 두며, 충전된 전력을 활용하기 위해 다양한 출력 인터페이스 제공할 수 있으며, BMS(Battery Management System) 탑재하며, 전력 측정 센서(전력 생산 및 출력 전원 센서)를 구비하며, 이더넷 기반 센서 데이터 송신 모듈을 구비할 수 있다.
일 실시예에서, ESS(Energy Storage System) 캐패시터는, 18650 리튬이온 배터리 2S NP (N : 생산 용량에 따라 증가)로 이루어질 수 있다.
모니터링 서버(300)는, 충전부(200)의 전력 감지 센서로부터 센서 데이터를 실시간으로 수신받아 저장해 두는 동시에 충전부(200)의 전력 생산량을 모니터링 한다.
일 실시예에서, 모니터링 서버(300)는, PLC 및 HMI 구성 또는 PC 제어로 구성되며, 충전부(200)의 각종 센서 데이터를 전송받아 저장하고, 모니터링 대시보드(400)에 출력 데이터를 제공할 수 있다.
모니터링 대시보드(400)는, 모니터링 서버(300)로부터 수신되는 데이터를 시각화하여 출력한다.
일 실시예에서, 모니터링 대시보드(400)는, 모니터링 서버(300)의 실시간 감지 데이터 시각화하며, 모니터를 이용한 대시보드는 웹 어플리케이션으로 이루어지며, 모바일 환경을 위한 스마트폰 앱 어플리케이션을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템(10)은, 기존 코일 스테이터(모터) 방식의 전력 생산이 아닌, 진동압전센서를 이용한 소형 풍력 발전을 이용하여 회전 운동 에너지를 진동에너지로 변환하여 전력을 생산함으로써, 에너지 변환 효율이 높고, 과부하로 인한 고장이 없으며, 부품 교체가 매우 단순하여 유지보수 비용이 대폭 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.
도 2는 도 1의 발전부의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 발전부(100a)는, 발전 모듈(110), 블레이드(120) 및 고정형 지지대(130)를 포함한다.
발전 모듈(110)은, 블레이드(120)의 회전에 의해 발생되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 고정형 지지대(130)의 상측에 고정 설치된다.
블레이드(120)는, 바람이 불어오는 발전 모듈(110)의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 발전 모듈(110)로 회전 운동 에너지를 전달한다.
고정형 지지대(130)는, 상측에 발전 모듈(110)이 고정 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 일 실시예에 따른 발전부(100a)는, 발전소 내에 Cooling Air Fan 등 공기의 유동 방향이 일정한 곳에 설치하는 타입으로서, 에어 인테이크 덕트 또는 토출 덕트 유입구에 설치 가능할 것이다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발전부(100b)는, 발전 모듈(110), 블레이드(120) 및 회전형 지지대(140)를 포함한다.
발전 모듈(110)은, 블레이드(120)의 회전에 의해 발생되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하며, 회전형 지지대(140)의 상측에 회전 가능하도록 연결 설치된다.
블레이드(120)는, 바람이 불어오는 발전 모듈(110)의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 발전 모듈(110)로 회전 운동 에너지를 전달한다.
회전형 지지대(140)는, 발전 모듈(110)이 회전하면서 블레이드(120)가 바람이 불어오는 방향을 바라볼 수 있도록 발전 모듈(110)이 상측에 회전 가능하도록 연결 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 다른 실시예에 따른 발전부(100b)는, 발전소 외부의 바람의 방향이 일정하지 않은 곳에 설치하는 타입으로 바람의 방향에 따라 회전하며, 옥상, 옥탑 등 고소 지역에 설치 가능할 것이다.
도 3은 도 2의 발전 모듈을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 발전 모듈(110)은, 케이스(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음), 스테이터(500) 및 로터(600)를 포함한다.
케이스는, 고정형 지지대(130) 또는 회전형 지지대(140)의 상측에 설치되며, 내부 공간을 형성하며, 내부 공간에 스테이터(500) 및 로터(600)가 설치된다.
여기서, 케이스는, 도 2에 도시된 바와 같이 로터(600)의 회전축이 수평 방향으로 배치되도록 설치될 것이나, 이하에서는 설명의 편의상 로터(600)의 회전축이 상하 방향으로 직립된 것을 기준으로 설명하기로 한다.
스테이터(500)는, 원형의 링 형태로 형성되어 케이스의 내부 공간에 설치되며, 로터(600)의 회전 에너지에 의해 형성되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 충전부(200)로 전달한다.
일 실시예에서, 일 실시예에 따른 스테이터(500)는, 링형 바디(510), 제1 진동압전센서(520) 및 다수 개의 제1 영구자석(530)을 포함한다.
링형 바디(510)는, 내측에 로터(600)가 배치되어 회전할 수 있도록 내경이 로터(600)의 외경보다 큰 링 형태로 형성되며, 외측을 따라 적어도 20 개 이상의 제1 진동압전센서(520)가 설치된다.
제1 진동압전센서(520)는, N극 자성체(620)와 S극 자성체(630)의 외측면과 대향하면서 링형 바디(510)의 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개(적어도 20 개 이상)가 설치되며, 제1 영구자석(530)에 의해 형성되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산한 뒤 충전부(200)로 전달한다.
제1 영구자석(530)은, 자성물체인 네오디움(neodymium)으로 제작되며, 제1 진동압전센서(520)의 전단 외측 마다 각각 설치되며, N극 자성체(620)와 S극 자성체(630)가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 제1 진동압전센서(520)를 진동시켜 준다.
로터(600)는, 원통 형태로 형성되어 스테이터(500)의 내측에 배치되며, 블레이드(120)의 회전축이 중심축(610a)에 연결 설치되어 블레이드(120)가 회전함에 따라 함께 회전하면서 스테이터(500)를 진동시켜 준다.
일 실시예에서, 로터(600)는, 원통형 바디(610), N극 자성체(620) 및 S극 자성체(630)를 포함한다.
원통형 바디(610)는, 원통 형태로 형성되어 스테이터(500)의 내측에 배치되며, 원형의 외측을 따라 N극 자성체(620) 및 S극 자성체(630)가 번갈아 가면서 설치되며, 블레이드(120)의 회전축이 중심축 중심축(610a)에 연결 설치되어 블레이드(120)가 회전함에 따라 함께 회전된다.
N극 자성체(620)는, N극의 자성을 형성하면서 원통형 바디(610)의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치된다.
S극 자성체(630)는, S극의 자성을 형성하면서 원통형 바디(610)의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 N극 자성체(620)와 번갈아 가면서 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 발전 모듈(110)은, 바람에 의해 회전하는 블레이드(120)의 회전 에너지를 진동 에너지를 변환시켜 이에 따라 진동하는 제1 진동압전센서(520)를 이용하여 기존의 방식과 같은 과부하 등의 문제점 없이 전기를 효율적으로 생산할 수 있다.
도 4는 도 3의 스테이터의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 스테이터(500a)는, 링형 바디(510), 제1 진동압전센서(520), 다수 개의 제1 영구자석(530), 제2 진동압전센서(540); 및 다수 개의 제2 영구자석(550)을 포함한다.
여기서, 링형 바디(510), 제1 진동압전센서(520), 및 다수 개의 제1 영구자석(530)은, 도 3의 구성요소와 동일하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
제2 진동압전센서(540)는, N극 자성체(620)와 S극 자성체(630)의 내측면과 대향하면서 링형 바디(510)의 내측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 제2 영구자석(550)에 의해 형성되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 충전부(200)로 전달한다.
제2 영구자석(550)은, 자성물체인 네오디움(neodymium)으로 제작되며, 제2 진동압전센서(540)의 전단 내측 마다 각각 설치되며, N극 자성체(620)와 S극 자성체(630)가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 제2 진동압전센서(540)를 진동시켜 준다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 일 실시예에 따른 스테이터(500a)는, 제2 진동압전센서(540)를 이용하여 추가로 전력을 생산함으로써, 제1 진동압전센서(520)만에 의해 생산하는 전력보다 많은 양의 전력을 효과적으로 생산할 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 3의 스테이터의 또 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 스테이터(500b)는, 링형 바디(510), 제1 진동압전센서(520), 다수 개의 제1 영구자석(530), 회전 구동 벨트(560), 벨트 회전 기어(570) 및 센서 회전부(580)를 포함한다.
여기서, 링형 바디(510), 제1 진동압전센서(520), 및 다수 개의 제1 영구자석(530)은, 도 6의 구성요소와 동일하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
회전 구동 벨트(560)는, 링형 바디(510)의 외주면을 따라 설치되며, 외향면을 따라 제1 나사산이 형성되며, 벨트 회전 기어(570)에 의해 링형 바디(510)의 외주면을 따라 정방향 또는 역방향으로 회전되어 후술하는 회전 구동 기어(582)를 회전시켜 준다.
벨트 회전 기어(570)는, 회전 구동 벨트(560)의 내주면을 따라 형성되는 제2 나사산에 맞물려 연결 설치되며, 하단에 설치되는 스텝 모터 등의 구동 장치에 의해 정방향 또는 역방향으로 회전 구동되어 회전 구동 벨트(560)를 정방향 또는 역방향으로 회전 구동시켜 준다.
즉, 벨트 회전 기어(570)는, 도 6에 도시된 바와 같이 회전 구동 벨트(560)의 내주면에 맞물려 연결 설치될 수 있도록 링형 바디(510)의 내측에 설치되어야 할 것이다.
센서 회전부(580)는, 제1 진동압전센서(520)의 각 후단(도 5를 기준으로 할 경우 하단에 설치) 마다 각각 설치되어 회전 구동 벨트(560)가 회전함에 따라 각각의 제1 진동압전센서(520)를 회전시켜 준다.
일 실시예에서, 센서 회전부(580)는, "ㅁ"형 프레임(581), 회전 구동 기어(582) 및 회전 로드(583)를 포함할 수 있다.
"ㅁ"형 프레임(581)은, "ㅁ" 형태로 형성되어 링형 바디(510)의 후단으로부터 외측 방향으로 연장 형성되는 링형 프레임(510a)의 전단에 설치되되, 일측 개구부가 벨트 회전 기어(570)와 대향하도록 설치되며, 내측에 회전 구동 기어(582)가 회전 로드(583)에 의해 지지되어 배치된다.
회전 구동 기어(582)는, 회전 로드(583)에 의해 지지되어 "ㅁ"형 프레임(581)의 내측에 배치되며, "ㅁ"형 프레임(581)의 일측 개구부를 통해 외부로 노출되는 기어산이 벨트 회전 기어(570)의 제1 나사산에 맞물려 연결 설치되어 회전 구동 벨트(560)가 회전함에 따라 함께 회전하면서 회전 로드(583)를 회전시켜 준다.
회전 로드(583)는, 회전 구동 기어(582)의 회전축을 형성하되, "ㅁ"형 프레임(581)의 전방으로 노출되는 전단에 제1 진동압전센서(520)의 후단이 설치되어 회전 구동 기어(582)가 회전함에 따라 함께 회전되어 제1 진동압전센서(520)를 회전시켜 준다.
일 실시예에서, 제1 영구자석(530)은, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 진동압전센서(520)의 전단 외측에 설치되되, 제1 진동압전센서(520)가 회전함에 따라 그 위치가 변경될 수 있도록 일측 또는 타측으로 치우쳐서 설치될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 일 실시예에 따른 스테이터(500b)는, 제1 진동압전센서(520)를 진동시켜 주기 위해 제1 진동압전센서(520)에 설치되는 제1 영구자석(530)의 위치를 사용자의 필요에 따라 최적의 위치로 이동 가능하도록 조절함으로써, 제1 영구자석(530)의 진동에 의해 진동 에너지를 전달받는 제1 진동압전센서(520)에 의한 전력 생산 효율성을 극대화할 수 있다.
상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서를 통해 보호받고자 하는 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템
100: 발전부
200: 충전부
300: 모니터링 서버
400: 모니터링 대시보드
500: 스테이터
600: 로터

Claims (10)

  1. 바람에 의해 형성되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전부;
    상기 발전부에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전하여 두며, 전력 감지 센서를 이용하여 상기 ESS 캐패시터에 저장되는 전력을 실시간으로 감지하는 충전부;
    상기 충전부의 상기 전력 감지 센서로부터 센서 데이터를 실시간으로 수신받아 저장해 두는 동시에 상기 충전부의 전력 생산량을 모니터링 하는 모니터링 서버; 및
    상기 모니터링 서버로부터 수신되는 데이터를 시각화하여 출력하는 모니터링 대시보드;를 포함하고,
    상기 발전부는,
    회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 모듈;
    바람이 불어오는 상기 발전 모듈의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 상기 발전 모듈로 회전 운동 에너지를 전달하는 블레이드; 및
    상측에 상기 발전 모듈이 고정 설치되는 고정형 지지대;를 포함하며,
    상기 발전 모듈은,
    내부 공간을 형성하는 케이스;
    원형의 링 형태로 형성되어 상기 케이스의 내부 공간에 설치되고, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 스테이터; 및
    원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전하면서 상기 스테이터를 진동시켜 주는 로터;를 포함하고,
    상기 로터는,
    원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전되는 원통형 바디;
    상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되는 N극 자성체; 및
    상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 상기 N극 자성체와 번갈아 가면서 설치되는 S극 자성체;를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    링 형태로 형성되는 링형 바디;
    상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 외측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산한 뒤 상기 충전부로 전달하는 제1 진동압전센서; 및
    상기 제1 진동압전센서의 전단 외측 마다 각각 설치되고, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제1 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제1 영구자석;를 포함하며,
    상기 스테이터는,
    상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 내측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 내측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되고, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 제2 진동압전센서; 및
    상기 제2 진동압전센서의 전단 내측 마다 각각 설치되며, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제2 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제2 영구자석;을 더 포함하는, 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템.
  2. 바람에 의해 형성되는 회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전부;
    상기 발전부에서 생산된 전력을 전달받아 ESS(Energy Storage System) 캐패시터에 충전하여 두며, 전력 감지 센서를 이용하여 상기 ESS 캐패시터에 저장되는 전력을 실시간으로 감지하는 충전부;
    상기 충전부의 상기 전력 감지 센서로부터 센서 데이터를 실시간으로 수신받아 저장해 두는 동시에 상기 충전부의 전력 생산량을 모니터링 하는 모니터링 서버; 및
    상기 모니터링 서버로부터 수신되는 데이터를 시각화하여 출력하는 모니터링 대시보드;를 포함하고,
    상기 발전부는,
    회전 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 모듈;
    바람이 불어오는 상기 발전 모듈의 전단에 연결 설치되어 바람에 의해 회전되어 상기 발전 모듈로 회전 운동 에너지를 전달하는 블레이드; 및
    상기 발전 모듈이 회전하면서 상기 블레이드가 바람이 불어오는 방향을 바라볼 수 있도록 상기 발전 모듈이 상측에 회전 가능하도록 연결 설치되는 회전형 지지대;를 포함하며,
    상기 발전 모듈은,
    내부 공간을 형성하는 케이스;
    원형의 링 형태로 형성되어 상기 케이스의 내부 공간에 설치되고, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 스테이터; 및
    원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전하면서 상기 스테이터를 진동시켜 주는 로터;를 포함하고,
    상기 로터는,
    원통 형태로 형성되어 상기 스테이터의 내측에 배치되며, 상기 블레이드의 회전축이 중심축에 연결 설치되어 상기 블레이드가 회전함에 따라 함께 회전되는 원통형 바디;
    상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되는 N극 자성체; 및
    상기 원통형 바디의 전단 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 상기 N극 자성체와 번갈아 가면서 설치되는 S극 자성체;를 포함하고,
    상기 스테이터는,
    링 형태로 형성되는 링형 바디;
    상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 외측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 외측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되며, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전력을 생산한 뒤 상기 충전부로 전달하는 제1 진동압전센서; 및
    상기 제1 진동압전센서의 전단 외측 마다 각각 설치되고, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제1 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제1 영구자석;를 포함하며,
    상기 스테이터는,
    상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체의 내측면과 대향하면서 상기 링형 바디의 내측을 따라 일정한 간격으로 이격되어 다수 개가 설치되고, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 생산한 전력을 상기 충전부로 전달하는 제2 진동압전센서; 및
    상기 제2 진동압전센서의 전단 내측 마다 각각 설치되며, 상기 N극 자성체와 상기 S극 자성체가 번갈아 가면서 배치됨에 따라 발생되는 자성에 의해 진동하면서 상기 제2 진동압전센서를 진동시켜 주는 다수 개의 제2 영구자석;을 더 포함하는, 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 링형 바디의 외주면을 따라 설치되며, 외향면을 따라 제1 나사산이 형성되는 회전 구동 벨트;
    상기 회전 구동 벨트의 내주면을 따라 형성되는 제2 나사산에 맞물려 연결 설치되어 상기 회전 구동 벨트를 정방향 또는 역방향으로 회전 구동시켜 주는 벨트 회전 기어; 및
    상기 제1 진동압전센서의 각 후단 마다 각각 설치되어 상기 회전 구동 벨트가 회전함에 따라 상기 제1 진동압전센서를 회전시켜 주는 센서 회전부;를 더 포함하는, 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 센서 회전부는,
    "ㅁ" 형태로 형성되어 상기 링형 바디의 후단으로부터 외측 방향으로 연장 형성되는 링형 프레임의 전단에 설치되되, 일측 개구부가 상기 벨트 회전 기어와 대향하도록 설치되는 "ㅁ"형 프레임;
    상기 "ㅁ"형 프레임의 내측에 배치되며, 상기 "ㅁ"형 프레임의 일측 개구부를 통해 외부로 노출되는 기어산이 상기 제1 나사산에 맞물려 연결 설치되어 상기 회전 구동 벨트가 회전함에 따라 함께 회전하는 회전 구동 기어; 및
    상기 회전 구동 기어의 회전축을 형성하되, 상기 "ㅁ"형 프레임의 전방으로 노출되는 전단에 상기 제1 진동압전센서의 후단이 설치되어 상기 회전 구동 기어가 회전함에 따라 함께 회전되어 상기 제1 진동압전센서를 회전시켜 주는 회전 로드;를 포함하는, 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 영구자석은,
    상기 제1 진동압전센서의 전단 외측에 설치되되, 일측 또는 타측으로 치우쳐서 설치되는, 압전소자를 적용한 소형 풍력 발전 및 모니터링 시스템.
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