KR20050079648A - 압전소자를 이용한 고효율 소형발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신발내부에 장착할 수 있도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할 때 소모되는 운동에너지를 전기에너지로 변환 저장하여 외부의 전자기기에 공급할 수 있는 압전체를 이용한 고효율 소형발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 판형 압전소자 자체나 압전소자를 판형 금속판에 접착 혹은 증착한 금속박판을 소성변형을 일으키지 않는 탄성변형 내의 일정한 간격으로 적층하는 직렬 적층구조의 구성방법과 직렬로 적층된 것들을 다수의 병렬구조로 구성하여 신발내부에 설치하여 보행이나 조깅시에 발생하는 전력을 효율적으로 생산하고 축전하는 구조를 갖는다.
고안한 장치는 보행하거나 조깅시에 버려지는 에너지를 일상적으로 신고 다니는 신발에 장착할 수 있도록 하고 이를 이용하여 전기에너지로 변환시키고 축전하면 휴대용 전자기기를 구동시키거나 장소의 제약을 받지 않고 전자기기외 충전지를 용이하게 충전할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이 장치는 반영구적으로 사용 가능하고 건전지의 사용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 자원의 낭비도 줄이고 자연환경 보전에도 기여를 할 수 있다.

Description

압전소자를 이용한 고효율 소형발전 시스템{High efficient small-sized electric generator system using piezoelectric devic}
본 발명은 판형 압전소자(판형 압전소자 혹은 압전소자를 접착 혹은 증착한 금속판 또는 PVDF 판형 압전소자라 지칭함)를 집적한 시스템을 신발내부에 장착할 수 있도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할 때 소모되는 운동에너지를 전기에너지로 변환 저장하여 외부의 전자기기에 공급할 수 있는 압전체를 이용한 고효율 소형발전 시스템에 관한 것이다.
경제적인 생활수준이 향상됨에 따라 휴대폰이나 MP3와 같은 휴대용 전자기기의 사용이 급증하고 의복이나 신발과 같이 상시 착용하는 것에도 전자시스템을 접합하는 경향이 일어나고 있다. 따라서 운동량정보 신발이나 위치발신 신발과 같은 휴대용 정보화기기나 배터리나 축전기로 구동하는 소형 휴대용 냉온방기기 등의 사용이 급격히 증가할 것으로 예상된다. 이들은 모두 소형의 축전지들을 사용하고 있으나 축전지의 용량한계로 인하여 사용시간이 제한적이고 충전을 위해 특정기기를 이용해야 되거나 제한된 지역에서 충전해야하는 문제점을 안고 있다. 또한, 어두운 밤에 보행자나 조깅을 하는 사람을 보호하기 위해 신호용으로 LED를 부착한 신발의 경우 일회용 배터리를 장착하여 사용함으로써 제한된 수명과 환경오염 문제의 가능성도 내포하고 있다.
이러한 휴대용 전자기기들이 갖는 제한적인 전원공급 용량의 문제점과 전력보충 시에 제한된 장소에서 보충해야하는 문제점을 해결하기 위해 소형 휴대용 발전시스템은 매우 유용하다. 이러한 목적으로 수동 발전하는 전력발생장치의 개발결과물이 있으나 상대적으로 크고 평상시에 휴대하기 불편한 점이 많아서 일반적으로 사용되지 않고 있다. 또한, 휴대성을 높이기 위해 항상 착용하는 신발을 이용한 발전 시스템에 대한 제안도 있었다. 이 발전 시스템은 자석으로 둘러싼 케이스에서 발생하는 자장사이에 보행시에 코일이 움직여서 전력을 발생하는 시스템으로 기존의 기계식 발전시스템과 유사하다. 이 시스템은 무겁고 효율이 매우 떨어져 전력의 발생량이 너무 적은 문제점이 있다.
본 발명에서는 외부에서 압력을 가해 변형을 일으키면 전력을 발생하는 압전소자를 이용하여 보행이나 조깅시에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 원리를 이용하여 효율적인 소형 발전을 가능케 하는 구조를 고안하였다. 전력의 발생은 변형량에 비례하기 때문에 소성변형이 일어나지 않는 범위 내에서 최대한 변형을 할 수 있는 구조와 압전소자 한 개로는 발생할 수 있는 전력의 양이 매우 제한적이기 때문에 다수 개를 사용하여 외력이 가해질 때 모든 압전소자에 동시에 큰 탄성변형을 일으키는 구조가 본 발명의 핵심적 내용이다. 발명한 시스템은 다수의 압전소자들이 동시에 큰 탄성변형을 일으키는 구조를 소형으로 구성하여 신발 내부에 장착하여 걷거나 조깅 시에 발생하는 외력이 동시에 다수의 압전소자를 변형시켜 발생한 전력을 정류회로를 거쳐서 축전지에 저장하는 압전소자를 이용한 고효율 소형발전 시스템이다.
외부에서 물리적인 힘을 가했을 때 압전소자에서 발생되는 전기적 에너지 형태는 매우 높은 순간전압을 보이나 낮은 전류를 가져 비교적 전력의 발생양이 적은 편이다. 이러한 전력 발생량도 압전소자에 가해지는 외력에 대한 압전소자의 체적 변화량에 따라 발생하는 전력의 양도 비례한다. 따라서 충격에 대한 변형량이 커지는 구조를 갖는 것이 전력생산량을 높일 수 있으므로 하나의 대형 압전소자를 이용하여 전력을 발생시키는 것 보다는 여러 개의 박막 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 직접하는 구조를 구성하여 모든 압전소자에 외력을 동시에 가하는 것이 가장 효과적이다.
본 발명은 다수의 uni-morph 형 혹은 bi-morph 형 압전박판을 소성변형을 일으키지 않는 탄성변형 내의 일정한 간격으로 적층하는 직렬 적층구조의 구성방법과 직렬로 적층된 것들을 다수의 병렬구조로 구성하는 구조를 갖는다. 구조적으로는 박판 압전소자가 직병렬로 구성되었으나 각 압전소자에서 발생하는 전류는 모두 병렬로 집적되는 구성을 갖는다. 따라서 압전소자 고유의 미소한 전류발생을 구조적으로 증폭하는 시스템이 구성된다.
또한, 신발 내에 장착되도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할때 신발에 가해지는 외력이 직병렬로 구성된 모든 박판 압전소자에 동시에 가해지게 하는 구조를 구성하여 매 순간 발생하는 전력의 세기는 구성된 압전소자의 개수에 비례하여 증폭되어 축전되는 압전소자를 이용한 고효율 소형발전 성능을 제공한다.
본 발명은 신발이라는 한정된 공간에서 최대한의 효율을 얻기 위해서 크기는 작으면서 쉽게 파손되지 않는 여러 개의 판형 압전소자(11)를 일정한 간격을 두어 적층(1)하고, 적층된 압전소자(11)에 외력을 가하면 동시에 변형되는 구조를 포함한다.
제안한 시스템은 크게 4 부분으로 구성되는데 판형 압전소자를 적층하여 구성한 적층부(1), 적층부를 둘러싸서 적층부를 지지하여 외부로부터 가해지는 힘으로부터 적증부를 보호하는 케이스부(2), 외부로부터 발생하는 힘을 각각의 압전소자에 동시에 전달해 주는 외력전달부(3), 그리고 매순간 발생하는 구형파 전압을 브리지회로를 구성하여 정류하고 정류된 전압이 축전지에 잘 저장될 수 있도록 지연회로를 구성하여 저장하는 전력처리부(도면5)로 구성된다.
적층부(1)에서는 다수의 판형 압전소자(1)를 직렬로 적층한 같은 높이의 직렬 적층부(1)를 다수개 병렬로 신발 내에 설치될 수 있는 형태로 배치한다. 병렬로 배치된 다수의 직렬 적층부(1)들은 케이스부(2)의 상하면이 지지한다.
케이스부(2)는 적층된 압전소자(11)를 케이스의 상하단부(21,25)으로 감싸고 두 판사이를 다수의 봉(4)으로 지지하여 보행이나 조깅시에 발생하는 외력에 견딜 수 있도록 구성된다. 보행이나 조깅시에 발생하는 충격력이 적층부(1)의 면에 수직으로 발생하는 힘과 면에 미끄러지는 방향으로 발생하는데, 미끄러지는 방향의 힘에 대해 압전소자(11)들을 지지하기 위해 케이스 상하판(21,25)을 지지하는 각각 3개 혹은 다수개의 봉(4)을 축으로 모든 압전소자(11)의 상하 위치를 고정하고 수직으로 발생하는 힘에 대해 외력을 전달하는 봉(32)이 상하로 미소이동을 할 수 있도록하여 압전소자(11)가 탄성변형을 할 수 있는 구조이다. 이는 압전소자 혹은 압전소자(11)를 증식한 금속판의 스프링의 효과로 외력이 사라지면 압력을 받은 압전소자(11)는 각각 탄성력에 의해서 원래의 위치로 복원이 된다. 적층(1)된 다수의 판형 압전소자(11)는 외력에도 탄성변형의 간격을 유지하기 위해 지지봉의 홈(43)에 단단히 끼워져 있다.
적층(1)된 압전소자(11)들은 보행이나 조깅시에 신발에 가해지는 외력을 모든 압전소자(11)에 동시에 전달하는 외력전달정치(3)에 의해 외력을 전달받는 구조를 갖는다. 외력전달장치(3)는 신발내부에 장착되어 외력을 직접 받는 외력을 받는 판(26)과 받은 외력을 각각의 압전소자에 동시에 전달하는 전달봉(32)로 구성된다. 전달부(32)는 압력을 직접 받는 부분에 봉(32)들이 직렬 적층부의 수만큼 부착되어 있다. 이봉(32)에는 직렬 적층된 압전소자(11)의 수와 같은 홈(33)이 있고 이 홈(33)에 판형 압전소자(11)의 일부분이 삽입되어 고정된다. 외력을 직접 받는 부분은 적층부(1)를 고정하는 케이스부(2)의 상판(21)에서 떨어진 간격을 갖게 되는데, 이 간격이 압전소자(11)가 탄성변형을 일으키는 거리이다. 신발에 외력이 가해지면 이 외력은 외력을 직접 받는 판형 부분(26)에 전달되어 이 부분이 케이스(2)의 상단부(21)까지 이동하면 케이스(2) 내부에서는 외력을 직접 받는 부분에 부착된 외력을 전달하는 봉(32)이 같은 거리만큼 이동하게 되고, 봉(32)에 삽입된 모든 압전소자(11)가 고정된 지지부(42)를 축으로 모멘트를 받아 탄성변형하게 되는 구조를 이루고 있다. 이때, 모든 압전소자(11)에서는 전력을 발생하게 된다.
신발 내에 설치된 전력발생장치의 압전소자(11)는 발에 압력이 가해졌을 때 인장하고 압력이 사라지면 수축의 두 변형을 일으키고 이때 각 각 반대극성의 전압이 발생한다. 이를 브릿지 다이오드(51)를 구성하여 압전소자에서 발생하는 교류전압을 정류한다. 모든 압전소자에서 발생한 전압을 정류하고 이들의 전류를 병렬로 모으는 회로 구조를 갖는다. 모든 발생한 전력은 임펄스 형태이므로 축전지(55)에 축전하기 위해 저항(53)과 컨덴서(52)를 이용한 지연회로를 구성하여 축전한다.
이상의 구성과 작용에 의해서 본 발명은 신발의 크기와 사용하고자 하는 목적에 따라서 필요한 개수의 압전소자를 소형으로 구성하여 적층시켜 신발에 내장함으로써 제한된 공간에서 최대한의 발전을 하여 공간대비 고효율의 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
보행하거나 조깅시에 버려지는 에너지를 일상적으로 신고 다니는 신발에 장착된 본 발명장치를 이용하여 전기에너지로 변환시키고 축전하면 휴대용 전자기기를 구동시키거나 장소의 제약을 받지 않고 이들의 충전지를 용이하게 충전할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이 장치는 반영구적으로 사용 가능하고 건전지의 사용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 자원의 낭비도 줄이고 자연환경 보전에도 기여를 할 수 있다.
도면1은 전체 발전기 조립도
도면2은 압전체의 적층도
도면3은 발전기 케이스부
도면4은 외력 전달장치 조립도
도면5은 반파형태의 교류전류를 전파로 변환 축전하는 회로도
<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명>
1 : 적층된 압전체
2 : 케이스 부
3 : 외력을 압전소자에 전달하는부
4 : 압전체를 지지하기 위한 지지대
11 : 압전소자
21 : 케이스 상단부
22 : 상단부 지지대 고정부
23 : 외력전달 장치의 지지대 삽입부
24 : 하단부 지지대 고정부
25 : 케이스 하단부
26 : 외력을 받는판
27 : 외력 전달 지지대 고정부
31 : 외력전달 봉의 고정체
32 : 판형 압전소자에 외력을 전달하는 전달봉
33 : 적층 압전소자의 일부를 삽입하고 고정시키는 외력전달봉의 홈
41 : 압전소자 지지봉 고정체
42 : 압전소자 지지봉
43 : 적층 압전소자의 일부를 삽입하고 고정시키는 지지봉의 홈
51 : 브릿지 정류회로
52 : 전류축전을 위한 콘덴스
53 : 전류량을 증가 시키고 전압 조정을 위한 저항
54 : 축전지에서 나오는 역전류 방지를 위한 다이오드
55 : 축전지

Claims (3)

  1. 판형 압전소자(11)를 적층하여 구성한 적층부(1)와 적층부(1)를 둘러싸며 지지하여 외부로부터 가해지는 힘으로부터 적층부(1)를 보호하는 케이스부(2)와 외부로부터 발생하는 힘을 각각의 압전소자(11)에 동시에 전달해 주는 외력전달부(3)로 구성된 압전소자(11)를 이용한 고효율 소형발전 시스템을 구성하는데 있어서:
    적층부(1)는 다수의 판형 압전소자(11)를 직렬로 적층한 같은 높이의 직렬 적층부(1)를 다수개 병렬로 신발 내에 설치될 수 있는 형태로 배치하며 병렬로 배치된 다수의 직렬 적층부(1)의 모든 판형 압전소자(11)는 케이스부(2)의 상하면(21,25)에 고정된 다수개의 봉(42)에 각각 고정되어 보행이나 조깅시에 발생하는 미끄러지는 방향의 힘에 대해 압전소자(11)들을 고정하는 구조.
  2. 판형 압전소자(11)를 삽입할 수 있는 다수의 홈(33,43)이 있는 직렬 적층부(1)의 갯수와 같은 여러개의 봉(42)이 부착된 외력을 받는 판(26)으로 구성되어 압전소자(11)의 적층부(1)를 고정하는 케이스부(2)의 상판(21)에서 압전소자(11)가 탄성변형을 일으키는 거리만큼 떨어지게 구성하여
    신발에 가해지는 외력으로 외력을 받는 판(26)이 미소이동하면 봉(32)의 홈에 삽입되어 있는 직병렬로 적층된 모든 압전소자(11)가 동시에 케이스(2)의 상하방향으로 이동하여 청구항 1의 고정축(42)을 중심으로 모든 압전소자(11)에 모멘트가 발생하여 탄성변형을 일으키는 외력전달 장치의 구조.
  3. 외력을 받을 때 발생하는 충격파 형태는 압전소자(11)의 탄성변형과 복원으로 발생하는 반대극성의 전압을 브릿지 다이오드(51)를 구성하여 모든 압전소자(11)에서 발생하는 교류전압을 정류하고
    모든 정류된 전류를 병렬로 모으는 회로를 구성하며
    임펄스 형태의 전류를 축전지(55)에 축전하기 위해 저항(53)과 컨덴서(52)를 이용한 지연회로를 구성하는 전력처리부의 구조.
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