KR20110041410A - 풍력발전장치 및 듀얼 풍력발전시스템 - Google Patents
풍력발전장치 및 듀얼 풍력발전시스템Info
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Abstract
바람을 이용하여 전력을 발생시키는 풍력발전장치는, 바람의 이동경로 상에 배치되어 시간에 따른 압력변화를 발생시키는 압력변화수단 및 압력변화수단에 인접하게 배치되어 시간에 따른 압력변화에 의해서 전력을 발생시키는 압전 소자부를 포함한다.
Description
본 발명은 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 비접촉 방식에 따라 자체적으로 전력을 발생시킬 수 있으며 다른 발전 모듈과 조화를 이를 수 있는 발전 모듈 및 다른 종류의 발전 모듈이 조화를 이루는 듀얼 풍력발전시스템에 관한 것이다.
최근 반도체 기술의 비약적인 발전으로 저전력 반도체 소자와 모듈의 개발이 가능하게 됨으로써, 유비쿼터스 센서네트워크(Ubiquitous Sensor Network; USN)의 상용화에 관심이 증가하고 있다. USN에 사용되는 센서노드의 크기와 가격이 감소하고 상용화 가능성이 증가함에 따라 효율적인 에너지 공급이 문제로 떠오르고 있다. 하지만 CMOS 전자 회로의 소형화가 배터리의 에너지 집약 기술보다 앞서기 때문에 크기적 제약이나 경제적인 부담으로 배터리를 이용하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 최근에는 일상에서 쉽게 얻을 수 있는 태양열, 진동, 열, 풍력, 파력 등을 활용하여 쉽게 전기에너지를 공급할 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
자연 에너지로부터 에너지를 수확하기 위한 연구의 예로, 기계적 에너지를 손쉽게 전기적 에너지로 변환하기 위해 압전 소자를 이용하는 방식이 있다. 압전 소자를 이용하여 에너지를 수확을 위해서 3가지 단계를 필요로 한다. (a) 이용 가능한 자연에너지 자원으로부터 주기적인 응력을 만들고 압전 소자로 전달 할 수 있어야 한다. (b) 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여야 한다. (c) 전기적 에너지를 가공하고 저장할 수 있어야 한다. 하지만 일상생활에서 얻을 수 있는 자연 에너지는 그 힘을 제어하여 이용하기가 힘들다. 압전 소자를 이용하여 에너지를 수확하기 위해서는 주기적인 응력을 필요로 하지만 바람은 큰 변화 없이 일정한 세기의 속력을 가지고 있어 그 힘을 이용하기가 힘들다. 바람을 제어하기 위한 기존의 연구 예로써, 바람을 프로펠러의 축의 회전력으로 변환하고 축에 달려있는 스톱퍼(stopper)가 직접 압전 외팔보에 힘을 가하여 에너지를 수확하는 방식이 제안된 바 있다. 하지만 스톱퍼가 직접 압전 외팔보에 응력을 가해 주어야 하기 때문에 초기 응력이 필요하여 낮은 풍속에서 작동하기가 어렵고 압전 외팔보의 손상문제로 인해 추가적 비용을 필요로 한다.
본 발명은 바람 및 주변 환경으로부터 야기되는 변화를 이용하여 압전 소자로부터 전기를 생산하되, 압전 소자에 특정한 물체와의 직접적인 접촉으로 응력을 가하지 않고, 전기를 생산함으로써, 압전 소자의 손상을 방지하고, 특정한 물체를 움직이기 위한 초기의 응력 값을 요구하지 않아 낮은 풍속에서도 전기를 생산할 수 있는 풍력발전장치를 제공한다.
본 발명은 바람을 이용하여 전기를 생산하는 외팔보 형태의 압전 소자가 고효율의 전기를 생산할 수 있도록 최적의 형태를 갖는 풍력발전장치를 제공한다.
본 발명은 외팔보 형태의 압전 소자 외에도 프로펠러를 이용하여 보조 전기를 생산함으로써 생산 효율을 극대화할 수 있는 듀얼 풍력발전시스템을 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 바람을 이용하여 전력을 발생시키는 풍력발전장치는, 바람의 이동경로 상에 배치되어 시간에 따른 압력변화를 발생시키는 압력변화수단 및 압력변화수단에 인접하게 배치되어 시간에 따른 압력변화에 의해서 전력을 발생시키는 압전 소자부를 포함한다.
압전 소자부는, 압전 소자(piezoelectrics)에 스트레인(strain)과 같은 기계적 압력을 주면 전기 분극(electrical polarization)이 일어나는 압전 현상(piezoelectricity)을 이용하여 전력을 발생시킬 수 있는 구조로서, 단층 또는 복층 구조로 제공될 수 있으며, 다양한 형상 및 구조의 재료가 선택될 수 있다.
압전 소자의 압전 현상 및 바람을 이용한 것으로서, 종래에는 스톱퍼를 바람을 이용하여 회전시키고, 스톱퍼가 반복적으로 직접 압전 소자와 부딪치도록 함으로써, 압전 소자에 주기적인 응력을 가해 주는 방식으로 전력을 생산한 것이 있다. 이러한 방식은 압전 소자에 접촉되어 있는 스톱퍼를 밀어내는 최소한의 초기 응력이 필요하여 낮은 풍속에서 작동하기가 어렵고, 사용할수록 스톱퍼와 압전 소자의 마찰에 의해서 압전 소자의 손상이 커지는 문제가 있다.
그러나, 본 발명에 따른 풍력발전장치에서는 특정한 물체로 압전 소자를 터치하여 압전 소자에 응력을 제공하는 방식이 아닌, 바람 자체를 이용하여, 압전 소자에 응력을 가해주는 방식으로, 압전 소자로부터 전력을 생산하여, 초기 응력이 필요하지 않으며, 압전 소자가 파손될 일이 전혀 없다.
다만, 압전 소자가 지속적으로 전력을 생산하기 위해서는 반복적으로 압전 소자에 응력을 가해 주어야 한다.
이에, 본 발명에서는 바람을 이용하되, 일반적으로 큰 변화 없이 일정한 세기의 속력을 가지는 바람이 시간에 따른 압력변화를 갖도록 해주는 압력변화수단을 구비한다.
압력변화수단은 압전 소자부에 전방에 인접하게 배치되어, 바람의 경로 상에 배치되는 압전 소자부 근처에서 바람이 시간에 따른 압력변화를 갖도록 함으로써, 압전 소자부의 진동을 유발시킬 수 있다.
이때, 압력변화수단은 압전 소자부 전단에 배치되는 것이 압전 소자부의 진동을 유도하는데 효과적이며, 압력변화수단으로는 복수개의 날개를 가지고 회전하는 회전체, 바람에 펄럭이는 물체, 바람 방향에 따라 요동하는 물체 등 다양한 물리적 구조가 될 수 있다.
또한, 압력변화수단에 의해서 시간에 따라 압력이 변화하는 바람의 진동수와 압전 소자부의 고유 진동수가 상호 일치할 경우에, 최대 값의 전력을 생산할 수 있다.
또한, 압력변화수단으로서 프로펠러를 사용하는 경우에는 프로펠러에 프로펠러와 함께 회전하는 회전축을 장착하고, 회전축의 주변을 따라 배치되는 고정자를 포함하는 보조 발전부를 설치할 수 있다. 보조 발전부는 회전자와 코일을 이용한 일반적인 발전을 할 수 있으며, 압전 소자를 이용한 발전 모듈을 보조 발전부와는 물리적인 접촉을 형성하지 않기 때문에 기존 보조 발전부에 의한 발전 효율을 더욱 높일 수가 있다.
본 발명의 풍력발전장치는 압전 소자로 제공되는 바람이 주기적으로 압력의 변화를 갖도록 해주는 압력변화수단을 이용함으로써, 바람에 의해서 압전 소자가 주기적으로 진동하여 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 풍력발전장치는 종래와 같이 특정한 물체를 압전 소자에 직접적으로 접촉시켜 압전 소자에 응력을 전달하는 방식이 아니기 때문에, 압전 소자의 파손이 발생하지 않으며, 특정한 물체를 움직이기 위한 초기의 응력 값을 요구하지 않아 낮은 풍속에서도 전기를 생산할 수 있다.
본 발명의 풍력발전장치는 외팔보 형상의 압전 소자부의 형상을 주기적인 바람의 특성에 맞춰서 형상을 변경함으로써, 전기 생산의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 풍력발전장치 보조 발전부를 더 포함하여, 압전 소자부 외에 프로펠러를 이용하여 전기 생산 효율을 높일 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 풍력발전장치의 압전 소자부 주변을 절개한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 서로 다른 형상의 압전 소자부를 도시한 도면들이다.
도 2는 도 1의 풍력발전장치의 압전 소자부 주변을 절개한 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 서로 다른 형상의 압전 소자부를 도시한 도면들이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 도 1의 풍력발전장치의 압전 소자부의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 풍력발전장치(100)는 압력변화수단(110), 압전 소자부(120), 및 가이드 덕트(130)를 포함한다.
먼저, 압전 소자부(120)는 압전 소자(122) 및 지지 부재(124)를 포함하며, 압전 소자(122)는 스트레인(strain)과 같은 기계적 압력에 의해서 전기 분극을 일으켜 전력을 발생시킬 수 있는 폴리비닐린 불화물(polyvinylidene fluoride), 티탄산바륨, 티탄산납, 티탄산지르콘납, 수정(quartz) 등을 이용하여 제조할 수 있으며, 소재 및 압전 방식에 따라 단층 또는 복층 구조로 제공될 수가 있다. 본 실시예에서는 폴리비닐린 불화물(polyvinylidene fluoride; PVDF)을 사용하여 제조될 수 있다.
바람에 의해서 회전하는 프로펠러, 펄럭이는 깃발, 요동치는 물체의 후방으로는 압력의 변화가 생길 수 있으며, 규칙적인 또는 불규칙적인 압력 변화에 의해서 압전 소자(122)는 반복적으로 진동하며, 전력을 발생시킬 수 있다.
하지만 진동이 반복되면서 압전 소자(122)에는 장시간 사용으로 인한 스트레스에 의한 균열이 발생할 수 있으며, 바람에 섞여 있는 이물질 등에 의해서 파손이 발생할 수도 있다. 이에, 압전 소자(122)가 스트레스에 의해서 균열이 생기는 것을 최소화할 수 있도록, 그 일면에는 압전 소자(122)와 밀착되도록 지지 부재(124)를 제공할 수 있다. 본 실시예에서 지지 부재(124)는 소성 변형에 강한 폴리에스테르 필름(Mylar)을 사용하나, 그 외에 경도가 높고 소성 변형이 쉽게 일어나지 않는 다른 합성수지를 사용할 수도 있다. 한편, 지지 부재(124)는 바람에 섞여 있는 이물질로부터 압전 소자(122)를 보호할 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 부재(124)가 바람이 부는 방향을 향한 압전 소자(122)의 일 면에 배치될 수 있으며, 경우에 따라서는 양 면에 모두 배치될 수도 있다.
본 실시예에서 압전 소자(122)는 110㎛, 지지 부재(124)는 127㎛의 두께를 갖도록 제공될 수 있으며, 본 실시예에 따른 압전 소자부(122)는 아래 [표 1]과 같은 물성치를 가질 수 있다.
[표 1] 압전 소자부의 물성치
가이드 덕트(130)는 내측으로 바람의 이동경로를 안내할 수 있다. 또한 가이드 덕트(130)는 바람을 내측으로 유도할 수 있도록 깔때기 형태로 제공될 수 있다. 상술한 압전 소자부(120)는 가이드 덕트(130)의 내측 면을 따라서 5개가 제공될 수 있으며, 바람에 의해서 효과적으로 진동하도록 일단이 가이드 덕트(130)의 내측 면에 결합되어 있는 외팔보(cantilever)로 제공될 수 있다. 참고로, 압전 소자부(120)의 개수는 변경될 수 있으며, 복수개의 압전 소자부(120)들을 직렬로 연결하여, 생산되는 전압의 크기를 높일 수도 있으며, 또한, 경우에 따라서는 압전 소자(122)의 두께를 조절하여 전압의 크기를 조절할 수도 있다.
한편, 압전 소자(122)에서 지속적으로 전력이 발생되도록 하기 위해서는, 반복적으로 압전 소자(122)에 응력이 전달되어야 한다. 이에, 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)는 바람을 이용하되, 일반적으로 큰 변화 없이 일정한 세기의 속력을 가지는 바람이 주기적인 시간에 따른 압력변화를 갖도록 해주는 압력변화수단(110)을 구비한다.
압력변화수단(110)은 복수개의 날개를 가지는 프로펠러(112) 및 프로펠러(112)를 가이드 덕트(130)의 내측 면에 결합할 수 있는 프로펠러 결합 지지대(114)를 포함할 수 있다. 물론, 상술한 바와 같이, 바람에 의해서 움직이거나 구동되며 주변에 압력 변화를 일으킬 수 있다면, 프로펠러 외에도 깃발, 방풍막 형태 등 다양하게 제공될 수 있다. 물론 프로펠러도 바람의 바람 방향에 대응하여 평행한 또는 수직한 회전축을 가질 수가 있다.
압전 소자부(120)는 프로펠러(112) 단부에 인접한 후방에 위치할 수 있으며, 바람의 경로 상에 배치되는 압전 소자부(120) 근처에서 불규칙적인 바람이 마치 교류와 같이 시간에 따른 압력변화를 갖도록 하여, 압전 소자부(120)의 진동을 보다 규칙적으로 유발시킬 수 있다. 본 실시예에서는 프로펠러(112)를 압전 소자부(120)의 전방에 배치하여 보다 효과적으로 압전 소자부(120)의 규칙적인 또는 불규칙적인 진동을 유발시킬 수 있다.
한편, 압전 소자부(120)의 형태에 따라서 전기의 생산 효율이 달라질 수 있다. 이하 상술한 풍력발전장치(100)의 압전 소자부의 형상을 변경하고, 이를 이용하여 전력을 생산하는 실험 예를 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 풍력발전장치에 사용될 수 있는 다양한 형상의 압전 소자부를 도시한 도면들이다.
도 3에 도시된 압전 소자부(120)는 직사각형 형상으로 제공될 수 있다. 직사각형 형상의 압전 소자부(120)는 가장 기본적인 형상으로 제조가 용이하고 대량 생산에 접합하다.
전기의 생산 효율을 높이기 위해서 다양한 형상의 압전 소자부가 고려될 수가 있다. 본 발명자는 도 3 내지 도 6에 도시된 서로 다른 형상의 압전 소자부들의 형상을 결정하는 과정과 각각의 압전 소자부의 전기의 생산 효율을 비교 분석하는 과정에서 컴퓨터 분석 및 실제 실험을 이용할 수 있다.
도 3에 도시된 직사각형 형상의 압전 소자부(120)는 에너지 수확(energy harvesting)을 위해서 최초로 주어진 모델이다. 컴퓨터 분석 및 형상의 최적화를 위해서 2차원적으로 제공되는 압전 소자부(120)의 표면에 복수개의 이동 포인트를 배치한다. 이동 포인트는 압전 소자부(120)의 형상을 결정하기 위한 키 포인트가 될 수 있다.
2차원적인 압전 소자부(120)는 구조 해석프로그램인 엔시스(ANSYS)를 통해서 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원적으로 재구성될 수 있다. 그 후에, 엔시스를 통해서 에너지 전환 인자(conversion factor; η)를 계산한다. 에너지 전환 인자는 외부 에너지에 의한 일(work from external energy; W)에 대한 총 전기 에너지 값(electric energy; Ee)의 비로 결정되며, 아래와 같은 [수학식 1]으로 표현된다.
[수학식 1] 에너지 전환 인자의 계산식
상술한 바와 같이, 엔시스를 통해서 계산된 에너지 전환 인자를 수치 해석, 행렬 연산, 신호 처리, 간편한 그래픽 기능 등을 통합하여 고성능의 수치 계산 및 결과의 가시화 기능을 제공하는 프로그래밍 언어인 MATLAB(Matrix Laboratory)에 전달하면, MATLAB은 다시 이동 포인트를 전기 에너지가 가장 큰 방향을 향하여 이동시킬 수 있다.
즉, 이동 포인트를 2차원적인 압전 소자부에 배치하고, 3차원적으로 형상화된 압전 소자부에서 이동 포인트를 이동시키는 과정을 반복함으로써, 압전 소자부의 형상을 결정할 수 있다.
이하, 압전 소자부에 의해 작용하는 양력을 고려하는 고정된 분석(static analysis)을 통해서, 압전 소자부의 전기의 생산 효율을 비교 분석하는 과정에 대해서 설명한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 최초로 주어진 직사각형 형상의 압전 소자부(120)로부터 엔시스 및 MATLAB를 이용한 상술한 과정을 통해서 도 4에 도시된 바와 같이, 최적의 형상으로 압전 소자부의 형상을 변경할 수 있다.
참고로, 시뮬레이션에 사용되는 도 3의 압전 소자부(120)의 폭과 길이의 비는 1:5이고, 압전 소자(122)의 두께는 110㎛, 지지 부재(124)의 두께는 127㎛ 이다.
풍속에 따른 압력을 차이(양압)는 프로펠러(112)의 윗단과 아랫단의 압력차이(△P)로 가정하여 다음 [수학식 2]로부터 계산할 수 있다.
[수학식 2] 양력의 계산식
양력계수 Cp는 1.4, 공기의 밀도(ρ)는 상온에서 1.169 kg/m3, 유체의 속도 V는 풍속 3.5 m/s로 가정하면, 20.04 Pa의 압력 값을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 풍속에 따른 압력의 변화로 인하여, 압전 소자부(120)가 진동할 수 있으며, 공진이 일어났을 때의 발생되는 전압을 시뮬레이션 할 수 있다.
엔시스를 이용한 고정된 분석을 통해서, 도 3의 압전 소자부(120)의 총 전기 에너지(total electric energy), 전압(voltage)를 계산할 수 있으며, 엔시스 및 MATLAB를 이용하여 최적의 형상으로 도 4의 압전 소자부(220)를 구현하고, 동일한 조건(양력)에서 도 4의 압전 소자부(220)의 총 전기 에너지, 전압을 계산할 수 있다.
상술한 계산 결과는 아래의 [표 2]에 정리되며, 도 3에 도시된 최초 모델인 압전 소자부(120) 및 도 4에 도시된 최적 모델인 압전 소자부(220) 각각의 총 전기 에너지(total electric energy), 최고 전압(maximum voltage)은 압전 소자부의 총 면적(total area)이 증가하면 함께 증가하는 경향을 보이는 것으로 확인된다.
[표 2] 최초 모델 및 최적 모델의 비교표
또한, 최적 모델인 도 4의 압전 소자부(220)는 최초 모델인 도 3의 압전 소자부(120)와 비교할 때, 면적당 총 에너지(Total electric energy/ Total area)는 1.76배, 최고 전압은 1.3배 증가된 것으로 확인된다.
참고로, 도 4의 압전 소자부(220)는 고정단(222) 및 자유단(224)를 포함하는 외팔보로 제공된다. 고정단(222)에부터 제1 소폭부(226) 및 제1 광폭부(228)가 형성되며, 제1 소폭부(226)는 고정단(222)보다 폭이 좁으며, 제1 광폭부(228)는 제1 소폭부(226)보다 폭이 넓게 제공된다. 제1 광폭부(228)를 통과하면서 다시 폭을 점차 줄어들며 자유단(224)은 제1 광폭부(228)보다 폭이 좁도록 형성된다.
물론, 주변 환경에 따라 고정단(222), 제1 소폭부(226), 제1 광폭부(228) 및 자유단(224)의 폭 비율을 변경될 수 있으며, 압전 소자부(220)의 측면은 원활한 변화를 위해 곡선 형상으로 제공될 수 있지만, 다르게는 직선 형태로도 제공되는 것도 가능하다.
상술한 바와 같은 고정된 분석은 단순하면서 압전 소자부에서 에너지 수확을 계산하는 매우 편리한 방법일 수 있다. 다만, 실제적인 에너지 수확 과정에서, 바람은 지속적으로 하모닉한 자극(harmonic excitation)을 고려할 수도 있다.
프로펠러를 통해서 불규칙적인 바람의 흐름은 마치 교류와 같이 규칙적인 흐름으로 전환될 수 있고, 이렇게 규칙적으로 변환된 바람의 흐름은 끊임없이 압전 소자부에 규칙적인 하모닉한 자극을 제공할 수 있다.
즉, 앞서서 설명한 고정된 분석에서는 풍속에 따른 압력의 변화를 고정된 상태로 가정하고 분석이 수행되나, 이하 설명하는 역동적 분석에서는 바람의 흐름이 하모닉한 자극이라는 것을 고려하고 분석이 수행된다.
역동적 분석에서는 댐핑 효과(damping effect)를 고려한다. 압전 소자부는 지속적으로 공기의 흐름에 의해서 전기를 생산하는데, 이때, 압전 소자부의 재료 및 공기에 의한 2가지의 댐핑 효과가 영향을 미친다.
먼저, 재료에 의한 댐핑 효과(material damping effect)는 이미 결정된 사항이기 때문에 공명 주파수(resonance frequency)에 영향을 미치지 못할 수 있다. 그러나, 공기에 의한 댐핑 효과(air damping effect)는 진동하는 압전 소자부의 공명 진동수의 감소를 유발할 수 있다. 공기의 댐핑 비를 사용한 공기 댐핑 효과를 고려함으로써, 공명 주파수가 변화하는 하모닉한 상황에서 최적의 모델을 구현할 수 있다.
다만, 공기 댐핑 비는 압전 소자의 모양, 두께, 표면적과 같은 여러 가지 인자에 의해서 결정되기 때문에 정확한 공기 댐핑 비를 얻는 것은 매우 어렵다. 예를 들어, 실험을 통해서 0.10875의 공기 댐핑 비를 찾을 수가 있다.
구체적으로 설명하면, 먼저, 실험을 통해서 42.724Hz의 자연 주파수(natural frequency)를 거지는 직사각형 형상의 압전 소자부로부터 최고 전압을 구할 수 있다.
다음에, 하모닉한 상황에서 압전 소자부를 사용하여 이론적인 최대 전압을 구한다. 이 과정에서 하모닉한 상황에서 댐핑 효과를 고려하지 않으면 압전 소자부의 자연 주파수는 교류와 같은 바람의 흐름으로부터 자극 주파수(excitation frequency)와 지속적으로 만나기 때문에 이론적으로 예상되는 최대 전압은 무한하다.
상술한 이유로, 예상되는 공기 댐핑 비를 변화시켜 적용함으로써, 실험과 이론적인 최대 전압의 차이를 제거할 수 있다. 이러한 과정을 통해서 0.1875의 공기 댐핑 비를 얻을 수 있다.
그 후에, 공기 댐핑 비를 적용하여 하모닉한 상황에서 이상적인 형상의 압전 소자부를 얻을 수 있다.
구체적으로, 도 5에 도시된 압전 소자부(320)는 하모닉한 상황에서 댐핑 효과를 고려하지 않은 최적의 형상이며, 도 6은 댐핑 효과를 고려한 최적의 형상의 압전 소자부(420)이다.
도 5의 압전 소자부(320)는 고정단(322) 및 자유단(324)를 포함하는 외팔보로 제공된다. 고정단(322)에부터 제1 광폭부(328), 제1 소폭부(326) 및 제2 광폭부(329)가 형성되며, 제1 광폭부(328)는 고정단(322)보다 폭이 넓으며, 제1 소폭부(326)는 제1 광폭부(328)보다 폭이 좁게 제공되고, 다시 제2 광폭부(329)는 제1 소폭부(326)보다 폭이 넓게 제공된다. 제2 광폭부(329)를 통과하면서 다시 폭을 점차 줄어들며 자유단(324)은 제2 광폭부(329)보다 폭이 좁도록 형성된다.
물론, 주변 환경에 따라 고정단(322), 제1 광폭부(328), 제1 소폭부(326), 제2 광폭부(329) 및 자유단(324)의 폭 비율을 변경될 수 있으며, 압전 소자부(320)의 측면은 원활한 변화를 위해 곡선 형상으로 제공될 수 있지만, 다르게는 직선 형태로도 제공되는 것도 가능하다.
도 6의 압전 소자부(420)도 고정단(422), 제1 광폭부(428), 제1 소폭부(426), 제2 광폭부(429) 및 자유단(424)을 포함하지만, 폭의 변화 비율이 도 5의 압전 소자부(320)와는 구분될 수 있다.
아래의 [표 3]에서는 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 압전 소자부들이 하모닉한 상황에서 나타내는 전기적인 특징들이 정리된다.
[표 3] 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 압전 소자부들이 하모닉한 상황에서 나타내는 전기적인 특징
[표 3]과 같이, 하모닉한 상황에서 최상의 모델인 도 6에 도시된 압전 소자부(420)는 도 3에 도시된 직사각형 형상의 압전 소자부(120)와 비교할 때, 면적당 총 에너지(Total electric energy/ Total area)가 1.58배 증가된 것으로 확인된다.
상술한 과정은 컴퓨터를 통한 분석으로부터 결정되기 때문에, 이하, 실제로 압전 소자부를 제작하여 실험한 결과를 상세하게 설명한다.
실험을 위해서 압전 소자는 110㎛, 지지 부재는 127㎛의 두께를 갖도록 제작하며, 각각의 형상은 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 압전 소자부의 형상을 따른다.
제작된 압전 소자부를 도 1에 도시된 바와 같은 풍력발전장치에 적용하고, 다양한 전기적 수치를 측정하여, 이를 아래 [표 4]에 정리한다.
[표 4] 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 압전 소자부들을 도 1에 도시된 풍력발전장치에 적용하여 측정한 전기적 수치
[표 4]와 같이, 도 6에 도시된 하모닉한 상황에서 최적의 형상을 하는 압전 소자부의 최대 파워는 (maximum Power) 도 3에 도시된 직사각형 형상의 압전 소자부(120)의 계산된 최대 파워(maximum Power)와 비교할 때, 24.17%가 증가한 것으로 확인된다.
요약하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 기본적인 직사각형 형상의 압전 소자부는 고정된 분석 즉 3.5m/s의 바람이 부는 경우 양력만을 고려할 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드 덕트에 고정되는 고정단(222)과 고정단(222)에 대향한 자유단(224) 사이에 폭이 줄어드는 소폭부(226)를 갖는 호리병과 같은 형상으로 제작되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한, 바람이 하모닉한 압력(교류와 같이 시간에 따라 달라지는 압력)을 갖는 다는 점을 고려하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 가이드 덕트에 고정되는 고정단(322)과 고정단(322)에 대향한 자유단(324) 사이에 폭이 줄어드는 소폭부(326)가 압전 소자부(320)의 중앙에 위치하는 호리병과 같은 형상으로 제작되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한, 바람에 의한 공기 댐핑 효과를 고려하면, 이는 다시 도 6에 도시된 형상으로 변경되는 것이 실제적인 공기의 흐름으로부터 최상의 전기 생산 효율을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드 덕트에 고정되는 고정단(422)과 고정단(422)에 대향한 자유단(424) 사이에 광폭부-소폭부-광폭부의 조합이 도 5에 도시된 경우보다 폭의 변화비율이 줄어드는 형상으로 제작되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전장치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 풍력발전장치(500)는 제1 발전수단 및 제2 발전수단을 포함할 수 있다. 제1 발전수단은 프로펠러(512) 및 프로펠러(512)의 회전축과 연동하여 전기를 발생시키는 보조 발전부(540)를 포함하며, 종래와 같이 보조 발전부(540)는 프로펠러(512)에 장착되어 연동하는 회전축(542), 및 회전축(542) 주변에 배치되는 고정자(544)를 포함하며, 회전축(542)의 회전에 의해서 전기를 발생시킬 수 있다. 고정자(544)는 고정자(544)를 수용할 수 있는 내부 공간을 갖는 케이스(546)에 수용될 수 있으며, 케이스(546)는 발전기 결합 지지대(548)에 의해서 가이드 덕트(530)에 결합될 수 있다.
제2 발전수단은 압전 소자부(520)를 포함할 수 있으며, 상술한 다른 압전 소자부(520)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 압전 소자부(520)은 프로펠러(512)의 후방에서 1개조로 이루어져 있지만, 바람의 이동 경로를 따라 복수개의 조로 중복되어 제공될 수도 있다.
일반적으로 회전자 및 고정자를 이용한 보조 발전부(540)의 발전량이 압전 소자부(520)에 의한 발전량보다 높을 수가 있다. 하지만, 본 실시예에서는 압전소자부, 즉 제2 발전수단이 제1 발전수단에 물리적으로 영향을 미치지 않으면서, 제1 발전수단에 의한 압력변화를 이용하여 추가로 발전을 진행시킬 수가 있다. 또한, 제2 발전수단에 의한 발전 과정에서 제1 발전수단으로 피드백(feed back)하는 영향도 거의 무시할 정도로 없앨 수가 있다.
따라서 프로펠러를 이용한 제1 발전수단 및 압전 소자부를 이용한 제2 발전수단은 듀얼 풍력발전시스템을 구축할 수 있으며, 제2 발전수단은 제1 발전수단의 발전 능력에 더해 자신의 발전 능력을 추가시킬 수 있으므로 전체적인 발전시스템의 전기 생산 효율이 증가될 수 있다.
또한, 이러한 풍력발전시스템은 전원 공급이 원활하지 않는 장소에 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 공급이 어려운 큰 다리나 섬 등에 장착된 센서에 지속적인 전력을 공급할 수 있다. 가정용 전력으로는 부족할 수 있지만, 배터리 교환 없이 센서 등을 작동시키기에는 적절한 전력을 효과적으로 공급하게 할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100：풍력발전장치 110：압력변화수단
112：프로펠러 114：프로펠러 결합 지지대
120, 220, 320, 420：압전 소자부 122：압전 소자
124：지지 부재 130：가이드 덕트
112：프로펠러 114：프로펠러 결합 지지대
120, 220, 320, 420：압전 소자부 122：압전 소자
124：지지 부재 130：가이드 덕트
Claims (19)
- 바람의 이동경로 상에 배치되어 시간에 따른 압력변화를 발생시키는 압력변화수단; 및
상기 압력변화수단에 인접하게 배치되어 상기 시간에 따른 압력변화에 의해서 전력을 발생시키는 압전 소자부;
를 구비하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압력변화수단은 프로펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제2항에 있어서,
상기 프로펠러는 상기 압전 소자부의 전단에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
내측으로 상기 바람의 이동경로를 제공하는 깔때기 형태의 가이드 덕트를 포함하며,
상기 압전 소자부는 상기 가이드 덕트의 내측 면을 따라서 하나 이상 제공되는 외팔보의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 직사각형 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 고정단에부터 상기 고정단보다 폭이 좁은 제1 소폭부 및 상기 제1 소폭부보다 폭이 넓은 제1 광폭부가 차례로 제공되며, 자유단은 상기 제1 광폭부보다 폭이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 고정단에부터 상기 고정단보다 폭이 넓은 제1 광폭부, 상기 제1 광폭부보다 폭이 좁은 제1 소폭부 및 상기 제1 소폭부보다 폭이 넓은 제2 광폭부가 차례로 제공되며, 자유단은 상기 제2 광폭부보다 폭이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 압전 소자부의 측면이 곡선 형상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자부는 상기 시간에 따른 압력변화에 의해서 전기를 생성하는 압전 소자, 및 상기 압전 소자에 접합되는 지지 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제9항에 있어서,
상기 압전 소자는 폴리비닐린 불화물(polyvinylidene fluoride)을 포함하며, 상기 지지 부재는 폴리에스테르 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자부의 고유 진동수 및 상기 시간에 따른 압력변화를 갖는 바람의 진동수를 상호 일치시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치. - 바람의 이동경로 상에 배치되어 시간에 따른 압력변화를 발생시키며 전력을 발생시키는 제1 발전수단; 및
상기 제1 발전수단에 인접하게 배치되어 상기 시간에 따른 압력변화에 의해서 전력을 발생시키는 제2 발전수단;을 구비하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제1 발전수단은 프로펠러 및 상기 프로펠러의 회전축과 연동하여 전기를 발생시키는 보조 발전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제2 발전수단은 상기 제1 발전수단에 인접하게 배치되며 상기 제1 발전수단에 의해서 형성되는 압력변화를 이용하여 전력을 발생시키는 압전 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제14항에 있어서,
상기 압전 소자부는 상기 제1 발전수단의 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 직사각형 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 고정단에부터 상기 고정단보다 폭이 좁은 제1 소폭부 및 상기 제1 소폭부보다 폭이 넓은 제1 광폭부가 차례로 제공되며, 자유단은 상기 제1 광폭부보다 폭이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제12항에 있어서,
상기 압전 소자부는 외팔보로 제공되며, 고정단에부터 상기 고정단보다 폭이 넓은 제1 광폭부, 상기 제1 광폭부보다 폭이 좁은 제1 소폭부 및 상기 제1 소폭부보다 폭이 넓은 제2 광폭부가 차례로 제공되며, 자유단은 상기 제2 광폭부보다 폭이 좁도록 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템. - 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 압전 소자부의 측면이 곡선 형상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 듀얼 풍력발전시스템.
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