KR102435938B1

KR102435938B1 - 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기

Info

Publication number: KR102435938B1
Application number: KR1020200127452A
Authority: KR
Inventors: 안경관; 안지환; 황정윤; 김창곤
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-08-25
Also published as: KR20220043724A

Abstract

전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 개시된다. 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기는, 부도체이며, 내부에서 유체가 흐르는 튜브, 튜브보다 양(+) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 튜브 형태로 형성되어 튜브의 제1 일부를 대체하여 튜브에 나란히 결합되는 제1 셀, 튜브보다 음(-) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 튜브 형태로 형성되어 튜브의 제2 일부를 대체하여 튜브에 나란히 결합되는 제2 셀, 제1 셀에 부착되는 제1 전극 및 제2 셀에 부착되는 제2 전극을 포함한다.

Description

전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기{Fluid friction generator with unsteady streaming flow using different charge affinity}

본 발명은 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기에 관한 것이다.

종래의 에너지 하베스팅 기술은 주로 낮은 전력을 요구하는 시스템에 자가 동력(Self-Power)을 부여하는 방식이었다. 또한, 기존 에너지 하베스팅 기술은 전자기식, 압전식, 열전식, 태양열 발전 방식 등이 주로 사용되었다. 그러나, 기존 에너지 하베스팅 기술을 사용한 대부분의 장치들은 부피가 크고 전력밀도가 낮으며, 에너지 수확에 있어 인체의 움직임과 같은 저주파수 대역에서는 효율적인 에너지 하베스팅이 불가능한 상태이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 에너지 하베스팅 방법들 중 하나인 마찰전기를 이용한 마찰발전기가 개발되었다. 마찰발전기는 서로 다른 두 물질 간의 마찰 접촉 후, 전기적으로 극성을 가지는 특정한 재료를 사용한 접촉 대전이라는 현상을 통해 에너지를 생산한다.

하지만, 지금까지 개발된 마찰발전기는 다른 전기적 특성을 가진 두 고체를 접촉하여 에너지를 생산한다. 두 고체를 서로 접촉시켜 발전하는 마찰발전기는 마찰에 의해 마모가 발생하므로, 작동하는 시간 및 횟수가 많아질수록 수명이 짧아지는 단점이 있다. 또한, 마찰발전기는 두 표면간의 거칠기에 크게 영향을 받으며, 에너지 수확 효율이 낮은 단점이 있다.

이러한 고체-고체마찰 발전기의 단점을 해결하기 위하여, 상대운동으로 인한 마찰의 발생이 거의 없는 유체-고체마찰 발전기가 개발되었다. 유체-고체마찰 발전기는 물방울과 부도체막 사이에 발생한 마찰전기와 이때, 물방울에 대전된 전하를 이동시킴으로써 생성되는 정전기유도 현상으로 전기를 발생시키는 방법으로 그 이론적 근거가 비교적 간단하고 명확하다.

하지만, 물방울은 크기가 매우 작기 때문에, 부도체막과의 접촉면적이 작다. 부도체막과의 접촉면적이 작아지게 되면 마찰전기가 적게 발생되며, 그에 따른 정전기유도 현상 역시 적게 발생된다. 따라서, 종래의 유체-고체마찰 발전기는 출력이 매우 작으므로 에너지 하베스팅을 위한 장치로는 적합하지 않다.

대한민국등록특허공보 제10-2117925호(2020.05.27)

본 발명은 물방울이 아닌 유체의 흐름을 이용하여 유체마찰발전을 수행하되, 서로 다른 전자친화도를 가지는 재질로 형성된 두 셀이 유체가 흐르는 튜브와 결합되고, 결합된 두 셀에 각각 전극이 부착되고, 부착된 두 전극으로 전하를 유도하여 발전하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 개시된다.

본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기는, 부도체이며, 내부에서 유체가 흐르는 튜브, 상기 튜브보다 양(+) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 상기 튜브 형태로 형성되어 상기 튜브의 제1 일부를 대체하여 상기 튜브에 나란히 결합되는 제1 셀, 상기 튜브보다 음(-) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 상기 튜브 형태로 형성되어 상기 튜브의 제2 일부를 대체하여 상기 튜브에 나란히 결합되는 제2 셀, 상기 제1 셀에 부착되는 제1 전극 및 상기 제2 셀에 부착되는 제2 전극을 포함한다.

상기 유체는 상기 튜브 내부에서 비정상 유동을 하면서 흐르도록 유속이 조절된다.

상기 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기는, 순환펌프 및 상기 유체가 저장되는 저장탱크를 더 포함하되, 상기 튜브는, 상기 유체가 상기 순환펌프와 상기 저장탱크 사이에서 순환하도록 상기 순환펌프와 상기 저장탱크를 양방향으로 연결한다.

상기 튜브는 실리콘(Silicon) 재질로 형성되고, 상기 제1 셀은 상기 실리콘보다 양(+) 경향성을 가지는 BOPP(biaxially oriented polypropylene) 재질로 형성되고, 상기 제2 셀은 상기 실리콘보다 음(-) 경향성을 가지는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 재질로 형성된다.

상기 유체가 정지한 상태에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀은 각각 양전하 및 음전하로 대전되고, 상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면에 각각, 상기 튜브, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포함으로써, 상기 튜브와 상기 유체 사이, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 평형이 유지된다.

상기 유속이 증가하면, 상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면이 형성된 영역인 고정층이 상기 유체가 흐르는 방향으로 이동함에 따라 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 불평형이 발생하고, 상기 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 상기 제1 전극에서 양전하가 방출되고 상기 제2 전극으로 양전하가 유입되어 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극으로 흐르는 전류가 생성된다.

상기 유속이 계속 증가하여, 상기 제1 전극에서 양전하가 방출되고 상기 제2 전극으로 양전하가 유입되다가, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 존재하는 전하와 상기 고정층에 존재하는 전하로 인하여, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 평형이 이루어진다.

상기 유속이 증가하다가 감소하면, 상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면에 각각, 상기 튜브, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포하도록, 상기 고정층을 제외한 상기 유체의 중심부을 포함하는 영역인 분산층에 존재하는 전하가 상기 고정층으로 유도되고, 상기 고정층으로 유도된 전하와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 존재하는 전하로 인하여, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 불평형이 발생하고, 상기 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 상기 제1 전극으로 양전하가 유입되고 상기 제2 전극에서 양전하가 방출되어 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극으로 흐르는 전류가 생성된다.

본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기는, 물방울이 아닌 유체의 흐름을 이용하여 유체마찰발전을 수행하되, 서로 다른 전자친화도를 가지는 재질로 형성된 두 셀이 유체가 흐르는 튜브와 결합되고, 결합된 두 셀에 각각 전극이 부착되고, 부착된 두 전극으로 전하를 유도하여 발전함으로써, 기존 물방울을 이용한 방식이나 튜브에 바로 전극을 적용한 방식보다 출력이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 대전열표를 예시하여 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 발전하는 과정을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 4는 튜브 내부에서 흐르는 유체의 속도 변화 예를 그래프로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 생성한 전력을 외부 전자기기에 공급하기 위한 전력 공급 회로를 예시하여 나타낸 도면.
도 6은 정상 유동과 비정상 유동의 전류 발생을 비교하는 실험결과를 나타낸 도면.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기의 전체적인 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2는 대전열표를 예시하여 나타낸 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기(500)의 구성에 대하여 설명하되, 도 2를 참조하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기(500)는, 튜브(10), 순환펌프(20), 저장탱크(30), 제1 셀(100), 제1 전극(110), 제2 셀(200) 및 제2 전극(210)을 포함하여 구성될 수 있다.

순환펌프(20)와 저장탱크(30)는 양방향으로 형성된 튜브(10)을 통해 연결된다. 그리고, 저장탱크(30)에는 물과 같은 유체(11)가 저장되며, 저장된 유체(11)는 순환펌프(20)에 의하여 양방향의 튜브(10)를 따라 순환한다.

이때, 순환펌프(20)의 제어를 통해 튜브(10)를 통과하는 유체(11)의 유속이 조절될 수 있다. 예를 들어, 유속이 시간에 따라 변경되어 튜브(10) 내부를 흐르는 유체(11)의 비정상 흐름이 생성될 수 있다.

튜브(10)는 부도체로서, 예를 들어, 실리콘(Silicon) 재질로 형성될 수 있다.

제1 셀(100) 및 제2 셀(200)은 각각 튜브(10) 형태로 형성되며, 튜브(10)의 일부를 대체하여 튜브(10)에 나란히 결합된다. 이를 통해, 튜브(10) 내부에서 흐르는 유체(11)는 튜브(10)의 내측 표면, 제1 셀(100)의 내측 표면 및 제2 셀(200)의 내측 표면에 직접 접촉하면서 이동할 수 있다.

그리고, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)은 금속과 같은 도체로서, 각각 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)을 둘러서 감싸도록 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)의 외측에 부착된다. 그래서, 유체(11)가 튜브(10)의 내측 표면, 제1 셀(100)의 내측 표면 및 제2 셀(200)의 내측 표면을 접촉하면서 지나갈 때 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 전하가 유도되어 전기를 발생시킴으로써, 유체마찰발전이 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기(500)는 비정상 유동을 가지는 유체(11)의 흐름에 대한 전하분포도의 해석을 통해 전기음성도가 다른 물질과 유속의 차이를 이용하여 전자 유도방식으로 유체마찰발전을 수행할 수 있다.

이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)은 각각 튜브(10)를 기준으로 양(+) 경향성을 가지는 재질 및 음(-) 경향성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1 셀(100)은 대전열표 상으로 양(+) 경향성을 가지는 재질인 BOPP(biaxially oriented polypropylene)으로 형성되고, 제2 셀(200)은 대전열표 상으로 음(-) 경향성을 가지는 재질인 PVDF(polyvinylidene fluoride)로 형성될 수 있다. 그리고, 튜브(10)는 실리콘 재질로 형성될 수 있는데, 실리콘은 도 2에 도시된 대전열표 상에서 Wool과 PVDF 사이에 위치하게 된다. 그래서, 실리콘 재질로 형성된 튜브(10)를 기준으로, BOPP 재질로 형성된 제1 셀(100)은 양(+) 경향성을 가지고, PVDF 재질로 형성된 제2 셀(200)은 음(-) 경향성을 가질 수 있다.

한편, 유체(11)가 튜브(10) 내부에서 비정상 유동을 하면서 흐르게 하기 위하여, 순환펌프(20)는 시간에 따라 유체(11)의 유속이 변경되도록 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유체(11)가 비정상 유동하는 경우, 정상 유동하는 경우보다 큰 전류가 발생할 수 있으며, 이는 유속에 따라 변화하는 전하분포의 특징일 수 있다. 이 특징은, 비정상 흐름의 주기가 짧을수록 전류의 크기가 증가하며, 접촉하는 물체의 전자친화도에 따라 전하의 분포가 크게 달라짐을 의미할 수 있다.

제2 셀(100)을 지나가는 유체(11)는 제1 셀(100)을 지나는 유체(11)가 가진 전하분포와 전혀 다른 거동을 하지만, 비압축 성질을 가진 유체(11)는 튜브(10) 내에서 비정상 유동으로 인한 속도를 공유할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 발전하는 과정을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 4는 튜브 내부에서 흐르는 유체의 속도 변화 예를 그래프로 나타낸 도면이다. 이하에서는, 도 3을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기(500)가, 튜브(10)를 기준으로 양(+) 경향성을 가지는 재질로 형성된 제1 셀(100) 및 음(-) 경향성을 가지는 재질로 형성된 제2 셀(200)을 이용하여 튜브(10) 내부에서 흐르는 유체(11)의 비정상 흐름을 통해 각 셀(100, 200)에 부착된 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)으로 전하를 유도하여 전력을 생성하는 과정을 설명하되, 도 4를 참조하기로 한다.

유체(11)의 비정상 흐름에 따른 유속은 각 단계별로 도 4에 도시된 바와 같이 변하는 것으로 가정한다.

(Ⅰ) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 유체(11)가 정지한 상태이다.

(Ⅰ) 단계의 유체(11)가 정지한 상태에서, 양(+) 경향성을 가지는 제1 셀(100) 및 음(-) 경향성을 가지는 제2 셀(200)은 각각 양전하 및 음전하로 대전되어, 제1 셀(100)에는 양전하 그룹(120)이 형성되고 제2 셀(200)에는 음전하 그룹(220)이 형성될 수 있다. 그리고, 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)을 제외한 튜브(10)도 음전하로 대전되어 있다. 이에 따라, 유체(11)의 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200) 접촉면에는 각각, 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포하여 다수의 전하 그룹(13)이 형성될 수 있다. 그래서, 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에는 전기적 평형이 유지될 수 있다.

여기서, 유체(11)의 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200) 접촉면이 형성된 영역은, 흐르는 방향을 기준으로 유체(11)의 가장자리로서, 접촉면과의 마찰의 영향으로 흐르는 유체(11)에서 유속이 느린 고정층(Stern Layer)(15)이 된다. 그리고, 고정층(15)을 제외한 유체(11)의 중심부(17)을 포함하는 영역은, 저항이 없어 고정층(15)과 비교하여 유체(11)에서 유속이 빠른 분산층(Diffuse Layer)(16)이 된다.

고정층(15)은 유체(11)의 속도 변화에 큰 영향을 받지 않으며, 유속이 느려 분산층(16)보다 상대적으로 전하가 조밀하게 분포할 수 있다.

(Ⅱ) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 유속이 증가하는 상태이다.

(Ⅱ) 단계에서, 유속이 증가하면서, 유체(11)의 고정층(15)은 소수성을 가지는 튜브(10)의 내측 표면에 의하여 유체(11)가 흐르는 방향으로 약간씩 이동할 수 있다. 이에 따라, 고정층(15)의 이동으로 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 전기적 불평형이 발생한다. 그래서, 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 제1 셀(100)에 부착된 제1 전극(110)에서는 양전하가 방출되고 제2 셀(200)에 부착된 제2 전극(210)으로는 양전하가 유입되어 제1 전극(110)에서 제2 전극(210)으로 흐르는 전류가 생성된다.

이때, 도 4의 (Ⅱ)에 도시된 바와 같이, 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 고정층(15)의 이동으로 발생한 전기적 차이만큼 분산층(16)에 존재하는 전하가 고정층(15)으로 유도되고 있으나, 유속이 증가한 분산층(16)은 흐르는 방향으로 빠르게 이동하여 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 전기적 평형을 이루려는 것을 방해하고 전하분포의 밀도가 낮아지게 한다.

(Ⅲ) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 유속이 가장 빠른 상태로서, 전하의 전기적 인력보다 유체(11)의 흐름에 의한 힘이 가장 강하기 때문에 전하분포의 밀도는 더욱 낮아지게 된다.

(Ⅲ) 단계에서, (Ⅱ) 단계로부터 제1 전극(110)에서는 양전하가 방출되고 제2 전극(210)으로는 양전하가 유입되다가, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 존재하는 전하와 고정층(15)에 존재하는 전하로 인하여, 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 전기적 평형이 이루어진다.

(Ⅳ) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이, (Ⅲ) 단계에서 최고로 증가했던 유속이 감소하는 상태로서, 유속의 감소로 인하여 전하분포의 밀도가 증가한다.

(Ⅳ) 단계에서, 유속의 감소로 인하여 유체(11)의 흐름에 의한 힘보다 전하의 전기적 인력이 더 강해지므로, 유체(11)의 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200) 접촉면에 각각, 튜브(10), 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포하도록 분산층(16)에 존재하는 전하가 고정층(15)으로 유도된다.

이에 따라, 고정층(15)으로 유도된 전하와 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 존재하는 전하로 인하여 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 전기적 불평형이 발생한다. 그래서, 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 제1 셀(100)에 부착된 제1 전극(110)으로 양전하가 유입되고 제2 셀(200)에 부착된 제2 전극(210)에서 양전하가 방출되어 제2 전극(210)에서 제1 전극(110)으로 흐르는 전류가 생성된다.

(Ⅴ) 단계는 도 4에 도시된 바와 같이, (Ⅳ) 단계보다 유속이 더 감소하여 (Ⅰ) 단계의 유체(11)가 정지한 상태와 매우 유사하게 유속이 매우 낮은 상태일 수 있으며, 전하분포의 밀도도 (Ⅳ) 단계보다 더 증가할 수 있다.

(Ⅴ) 단계에서, (Ⅳ) 단계로부터 제1 전극(110)으로 양전하가 유입되고 제2 전극(210)에서 양전하가 방출되다가, 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)에 존재하는 전하가 사라져 제1 셀(100) 및 제2 셀(200)과 유체(11) 사이에 전기적 평형이 이루어진다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기가 생성한 전력을 외부 전자기기에 공급하기 위한 전력 공급 회로를 예시하여 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 전력 공급 회로는 4개의 다이오드로 구성되는 브리지 정류기(510), 축전기(Capacitor)(520) 및 충전단자(530)를 포함하여 구성될 수 있다.

브리지 정류기(510)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(210)으로부터 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 변환하여 축전기(520)로 전달한다.

축전기(520)는 브리지 정류기(510)로부터 직류 전류를 공급받아 전력을 저장한다. 그리고, 축전기(520)는 충전단자(530)에 외부 전자기기의 충전단자가 연결되면, 저장된 전력을 충전단자(530)를 통해 외부 전자기기의 배터리로 공급할 수 있다.

도 6은 정상 유동과 비정상 유동의 전류 발생을 비교하는 실험결과를 나타낸 도면이다.

즉, 도 6의 (a)와 (b)는 각각 정상 유동 및 비정상 유동을 이용한 유체마찰발전 실험장치의 구성을 나타내고, 도 6의 (c)와 (d)는 각각 (a)와 (b)의 유체마찰발전 실험장치에 의하여 생성되는 전류의 그래프를 나타낸다.

도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 1m 길이의 탄성을 가진 실리콘 튜브를 통해 압력용기에서 PVDF 셀(sP-cell)로 유체가 이동하고, 압력펌프는 압력용기와 연결되어 수치적으로 공기압을 제어하고, PVDF 셀의 전극은 디지털 멀티미터와 연결되도록 실험장치가 구성되었다. 여기서, 압력펌프는 최대 유량율을 높이기 위하여, 연동펌프(peristaltic pump)가 적용될 수 있다.

그리고, 정상유동 시에는 압력펌프가 49.5mbar로 압력용기에 압력을 가하도록 설정하고, 비정상유동 시에는 2초동안 50mbar, 1초동안 0mbar로 변화하도록 설정하였다.

그 결과, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 비정상유동에서의 양 피크 전류 평균 및 음 피크 전류 평균이 각각 +50nA 및 -20nA이었다.

도 6의 (c) 및 (d)를 비교하면, 장상유동의 작동압력 및 평균 유량율을 비정상유동 이상으로 높이더라도, 비정상유동의 peak to peak 전류는 정상유동보다 70배 높았다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10: 튜브
11: 유체
20: 순환펌프
30: 저장탱크
100: 제1 셀
110: 제1 전극
200: 제2 셀
210: 제2 전극
500: 비정상 유동 유체마찰발전기

Claims

전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기에 있어서,
부도체이며, 내부에서 유체가 흐르는 튜브;
상기 튜브보다 양(+) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 상기 튜브 형태로 형성되어 상기 튜브의 제1 일부를 대체하여 상기 튜브에 나란히 결합되는 제1 셀;
상기 튜브보다 음(-) 경향성을 가지는 재질로 형성되며, 상기 튜브 형태로 형성되어 상기 튜브의 제2 일부를 대체하여 상기 튜브에 나란히 결합되는 제2 셀;
상기 제1 셀에 부착되는 제1 전극; 및
상기 제2 셀에 부착되는 제2 전극을 포함하되,
상기 유체가 정지해 있다가 흐르기 시작하여 상기 유체의 유속이 증가하는 상태가 되면, 상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면이 형성된 영역인 고정층이 상기 유체가 흐르는 방향으로 이동함에 따라 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 불평형이 발생하고,
상기 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 상기 제1 전극에서 양전하가 방출되고 상기 제2 전극으로 양전하가 유입되어 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극으로 흐르는 전류가 생성되고,
상기 유속이 증가하다가 전하의 전기적 인력보다 상기 유체의 흐름에 의한 힘이 강해지는 최고 유속 상태가 되면, 상기 제1 전극에서 양전하가 방출되고 상기 제2 전극으로 양전하가 유입되다가, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 존재하는 전하와 상기 고정층에 존재하는 전하로 인하여, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 평형이 이루어지고,
상기 최고 유속 상태에서 상기 유속이 감소하면, 상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면에 각각, 상기 튜브, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포하도록, 상기 고정층을 제외한 상기 유체의 중심부을 포함하는 영역인 분산층에 존재하는 전하가 상기 고정층으로 유도되고,
상기 고정층으로 유도된 전하와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 존재하는 전하로 인하여, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 불평형이 발생하고,
상기 발생한 전기적 불평형을 해소하기 위하여, 상기 제1 전극으로 양전하가 유입되고 상기 제2 전극에서 양전하가 방출되어 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극으로 흐르는 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기.
제1항에 있어서,
상기 유체는 상기 튜브 내부에서 비정상 유동을 하면서 흐르도록 유속이 조절되는 것을 특징으로 하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기.
제1항에 있어서,
상기 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기는,
순환펌프; 및
상기 유체가 저장되는 저장탱크를 더 포함하되,
상기 튜브는,
상기 유체가 상기 순환펌프와 상기 저장탱크 사이에서 순환하도록 상기 순환펌프와 상기 저장탱크를 양방향으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기.
제1항에 있어서,
상기 튜브는 실리콘(Silicon) 재질로 형성되고,
상기 제1 셀은 상기 실리콘보다 양(+) 경향성을 가지는 BOPP(biaxially oriented polypropylene) 재질로 형성되고,
상기 제2 셀은 상기 실리콘보다 음(-) 경향성을 가지는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기.
제1항에 있어서,
상기 유체가 정지한 상태에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀은 각각 양전하 및 음전하로 대전되고,
상기 유체의 튜브 접촉면, 제1 셀 접촉면 및 제2 셀 접촉면에 각각, 상기 튜브, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀에 존재하는 전하에 상응하는 양의 반대 극성의 전하가 분포함으로써,
상기 튜브와 상기 유체 사이, 상기 제1 셀과 상기 유체 사이 및 상기 제2 셀과 상기 유체 사이에 전기적 평형이 유지되는 것을 특징으로 하는 전기음성도차를 이용한 비정상 유동 유체마찰발전기.
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