KR20110003641A - 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치에 관한 것으로 철도선로의 레일과 침목 사이에 설치되는 레일패드(rail pad)에 압전막을 내장함으로써 열차의 운행시 레일패드에 가해지는 외력에 의하여 압전막이 변형되면서 전력을 생산할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여 열차 운행에 따라 철도선로에 가해지는 충격을 가용의 에너지로 변환할 수 있을 뿐아니라, 특히 기존 철도선로의 전면 개보수 없이 레일과 침목간 레일패드의 교체 및 연관 배선작업만으로도 고효율의 에너지 획득설비를 구축하는 효과를 얻을 수 있다.
철도, 레일패드(rail pad), 압전(壓電)

Description

압전막을 이용한 철도선로용 발전장치{Power generation apparatus for railroad using piezoelectric film}
본 발명은 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치에 관한 것으로 철도선로의 레일과 침목 사이에 설치되는 레일패드(rail pad)에 압전막을 내장함으로써 열차의 운행시 레일패드에 가해지는 외력에 의하여 압전막이 변형되면서 전력을 생산할 수 있도록 한 것이다.
압전체(壓電體)란 외력에 의한 변형이 발생되면 분극(分極)이 유도되고 이 분극에 의하여 전기장이 형성되는 압전효과(piezoelectric effect)가 발현되는 물체를 일컫는 것으로, 대표적인 예로서 납-지르코늄-티타늄 복합산화물(PZT, lead zirconate titanate)을 들 수 있다.
압전체를 이용한 발전은 열발전 및 수력발전 등 대규모의 발전설비를 수반하는 전통적인 발전방식에 비하여 발전용량에는 제약이 있으나 간소한 구성으로도 발전이 가능한 장점이 있어, 최근 에너지하비스터(energy harvester)용 발전수단으로 서 각광받고 있다.
에너지하비스터란 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지 형태로 변환하는 장치를 일컫는 것으로, 버려지는 에너지를 수집한다는 의미에서 에너지스캐빈저(energy scavenger)라고도 불리운다.
에너지하비스터는 그 용어 자체의 사용이 비교적 근래이 이루어졌을 뿐, 인류가 고대로부터 사용하던 에너지획득 방식과 일맥상통하는 것으로, 수차(水車)나 풍차(風車)도 광의의 에너지하비스터라 할 수 있으나, 수력발전 또는 풍력발전 등 대규모 설비를 필요로 하는 상용 발전시설과의 구분을 위하여 비교적 간소한 구성으로 단위 장치당 소량의 전력을 생산하는 수단을 협의의 에너지하비스터로 구분하고 있다.
이러한 에너지하비스터용 발전(發電)수단으로서 전술한 바와 같이 압전체가 주목받고 있는데, 압전체는 물리적 변형을 전력으로 변환하는 것으로, 발전을 위한 장치 구성이 간단할 뿐 아니라 공해를 배출하지 않으므로 에너지하비스터의 도입 취지에 가장 부합되는 발전수단이라 할 수 있다.
압전체가 적용된 에너지하비스터로서 도로 및 철도 등 교통시설에서 차량 운행시 소산되는 에너지를 활용하는 방식이 활발히 개발되고 있는데, 철도선로에 압전체를 매설하여 전력을 생산하는 발전방식이 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 철로선로용 압전식 발전설비는 철도선로를 구성하는 침목(22)하부에, 즉 침목(22)과 노반(23) 사이에 판상의 압전체를 매설함으로써, 열차 운행시 침목(22)에 가해지는 충격 및 진동으로 압전장치(30)의 변형을 유도하고, 이로써 발전을 수행하게 된다.
그러나 이러한 종래의 침목(22) 하부 압전장치(30)에 의한 발전방식은 전체 발전설비의 설치 및 유지관리상 경제성은 물론 발전설비 구축구간의 철도선로 안정성 및 열차운행 안전 측면에서도 심각한 문제점을 가지고 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 철도선로용 압전식 발전설비는 침목(22) 하부에 압전장치(30)가 매설되는 구조로서, 철도선로의 최초 시공시 설치하거나, 기존 철도선로의 경우 노반(23) 일부를 비롯한 침목(22) 및 레일(21) 등 철도선로 전체를 철거한 후 재시공하여야하는 근본적인 한계가 있다.
따라서, 사실상 열차가 운행되는 기존 철도선로에는 적용이 불가능할 뿐 아니라 설사 해체와 재시공을 통하여 발전설비를 구축한다 하여도 기존 철도선로 구간과의 연결부가 구조적 취약부로 작용될 수 있을 뿐 아니라 노반(23)이 교란되는 등, 철도선로의 구조적 안정성 및 열차통행상 안전성에 있어서 심각한 문제를 야기 할 수 있다.
또한, 침목(22) 직하부에 압전장치(30)를 매설함으로써 침목(22)과 노반(23)간 견고한 결합을 방해할 뿐 아니라 노반(23)의 배수특성을 악화시키는 등의 문제점도 수반하게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 철도선로에 압전체(壓電體)가 설치되어 열차의 통행시 발생되는 충격 및 진동을 전력으로 변환하는 철도선로용 발전장치에 있어서, 철도선로의 레일(21)과 침목(22) 사이에 설치되는 레일패드(10)에는 판상(板狀)의 압전체인 압전막(11)이 내장되고, 이 압전막(11)은 정류부(12)와 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치이다.
또한, 상기 레일패드(10)에 내장되는 압전막(11)에는 상방(上方)으로 볼록한 곡면이 형성됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치이다.
본 발명을 통하여 열차 운행에 따라 철도선로에 가해지는 충격을 가용의 에너지로 변환할 수 있을 뿐아니라, 특히 기존 철도선로의 전면 개보수 없이 레일과 침목간 레일패드의 교체 및 연관 배선작업만으로도 고효율의 에너지 획득설비를 구축하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 상세한 구성 및 작동원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선 도 2는 본 발명이 적용된 철도선로의 부분절단 사시도로서, 동 도면 및 대표단면도인 도 3을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 레일(21)과 침목(22) 사이에 설치되는 레일패드(10)에 압전막(11)이 내장된다.
통상 철도선로의 레일(21)과 콘크리트제 침목(22) 사이에는 고무 등의 탄성체로 제작된 레일패드(10)가 설치되어 레일(21)과 침목(22)의 견고한 밀착상태를 유지하면서도 열차운행시 레일(21)과 침목(22)간 반복 작용되는 외력 및 진동에의한 피로파괴를 방지하게 되는데, 본 발명의 레일패드(10) 내부에는 압전막(11)이 수평으로 설치된다.
레일패드(10)에 압전막(11)을 내장하는 방식으로는 압전막(11)의 혼련 또는 사출 성형시 압전막(11)을 주형에 내장한 상태로 성형하거나 한쌍의 박형 패드 내부에 압전막(11)을 적층한 후 가압 융착하는 등 다양한 방식이 가능하나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 선택할 수 있는 사항이므로 청구범위의 구체적인 한정은 하지 않는다.
통상 레일패드(10)는 일종의 소모품으로서 장기간 사용시 균열이 발생되는 등 노후되어 제 기능을 수행할 수 없으므로 주기적으로 교체하게 되는데, 침목(22)에 레일(21)을 고정하는 스프링클립(24)을 해제한 후 레일패드(10)를 교체할 수 있 다.
따라서, 본 발명을 적용하여 철도선로에 발전설비를 구축할 경우 전체 철도선로의 철거가 필요하지 않으며, 해당 구간의 스프링클립(24)을 해제하고 레일패드(10)를 교체한 후 연관 결선작업을 수행하는 간소한 공정으로도 시공이 가능한 바, 열차 통행이 빈번한 기존 철도선로에도 적용이 가능하다.
도 4는 본 발명의 레일패드(10)를 예시한 것으로, 도시된 바와 같이, 고무질 본체 내부에 압전막(11)이 수평으로 내장되고 압전막(11)과 전기적으로 연결된 전선이 구성된다.
한편, 도 5는 압전막(11)에 상방으로 볼록한 곡면을 형성하여 열차통과시 변형을 극대화한 것으로, 변형량의 증가에 따른 압전효과의 향상을 통하여 전력생산량을 증대할 수 있다.
도 6은 본 발명이 적용된 에너지하비스터 시스템을 예시한 것으로, 설치구간내 다수의 레일패드(10)가 정류부(12)와 연결되고 이 정류부(12)는 다시 축전부(13)와 연결된다.
본 발명의 압전막(11)은 막상(膜狀)으로 성형된 압전체로서, 압전막(11)이 외력에 의하여 변형 및 복원됨에 따라 즉, 압전막(11)에 인장 및 압축력이 작용함에 따라 서로 반대방향의 전류가 발생되는 바, 압전막(11)으로부터 최초 출력되는 전류는 압전막(11)의 물리적 진동의 위상과 동일한 위상의 교류전류이며 압전막(11)의 물리적 진동이 감쇄됨에 따라 전류 또한 소멸되므로, 출력되는 전류의 정류, 평활화 및 축전이 필요하다.
이에 도 6에서와 같이, 레일패드(10)의 압전막(11)에서 출력되는 전류를 정류 및 평활화하는 정류부(12)와 정류된 전류를 저장하는 축전부(13)가 구성되어 압전막(11)에서 출력되는 전류를 가용 전력으로 변환하게 된다.
이러한 본 발명의 발전장치는 역내 선로에 적용되어 역사(驛舍)내 소요 전력의 일부 또는 전부를 충당하거나, 오지(奧地) 철도선로에 적용되어 해당 구간의 신호 및 제어용 전원으로 이용되는 등 다양한 활용이 가능하다.
도 1은 종래의 압전식 철도선로용 발전장치 대표단면도
도 2는 본 발명이 적용된 철도선로 부분절단 사시도
도 3은 본 발명이 적용된 철도선로 대표단면도
도 4는 본 발명의 레일패드 발췌 부분절단 사시도
도 5는 곡면 압전막이 적용된 본 발명의 일 실시예 대표단면도
도 6은 본 발명이 적용된 에너지하비스터 시스템 일 실시예 모식도
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10 : 레일패드(rail pad)
11 : 압전막
12 : 정류부
13 : 축전부
21 : 레일
22 : 침목
23 : 노반(路盤)
24 : 스프링클립(spring clip)
30 : 압전장치

Claims (2)

  1. 철도선로에 압전체(壓電體)가 설치되어 열차의 통행시 발생되는 충격 및 진동을 전력으로 변환하는 철도선로용 발전장치에 있어서,
    철도선로의 레일(21)과 침목(22) 사이에 설치되는 레일패드(10)에는 판상(板狀)의 압전체인 압전막(11)이 내장되고;
    이 압전막(11)은 정류부(12)와 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치.
  2. 제1항에 있어서, 레일패드(10)에 내장되는 압전막(11)에는 상방(上方)으로 볼록한 곡면이 형성됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 철도선로용 발전장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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