KR20110045966A - 지중 또는 수중에 흐르는 전류를 이용한 에너지 수확장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중 또는 수중에 존재하는 방식전류나 누설전류를 수확하고 전기에너지로 저장하여 인근에 매설된 시설물의 감시장치 등의 전원으로 활용할 수 있도록 하는 새로운 에너지 수확장치에 관한 것으로써, 지중이나 수중에 흐르는 방식전류 또는 누설전류를 수확하는 전류수확 수단; 및 수확된 전류로부터 전기에너지를 저장하는 에너지 저장회로를 포함하며, 이때 상기 전류수확 수단은 직류전류를 수확하는 금속 쿠폰(coupon) 또는 교류전류를 수확하는 솔레노이드 코일 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구비되어, 금속구조물의 상태를 감지하는 센서 등 소형전자기기의 동작전원으로 공급함으로써 배터리의 교체없이 보다 장시간 또는 반 영구적으로 상기 센서가 동작될 수 있도록 한다.

에너지, 수확, 전류, 방식, 누설

Description

지중 또는 수중에 흐르는 전류를 이용한 에너지 수확장치{Energy harvesting apparatus for being current in soil or water}

본 발명은 에너지 수확장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 지중 또는 수중에 흐르는 여러 종류의 전류를 수확하고 전기에너지 형태로 저장하여 소형 전자기기의 전원으로 활용할 수 있도록 하는 에너지 수확장치에 관한 것이다.

최근 국내외 전지기술 분야에서는 친환경, 경제성, 무독성 등의 특성을 갖는 차세대 전기에너지 공급제품이나 수확기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

이 중 갈바닉(galvanic) 전원발생장치는 양극 및 음극의 전극을 구성하는 두 금속간의 상대적인 자연전위차를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 장치로써, 전해질 내에서 자연전위값이 상이한 금속물질을 각각 양극 및 음극 전극으로 사용하여 전기에너지를 발생시키는 전원장치로 사용할 수 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 갈바닉 전원장치의 구성이 간략하게 도시된 구성도이다.

종래 기술에 따른 갈바닉 전원장치는 도 1에 도시된 바와 같이 자연전위차를 발생시키는 전원발생부(30)를 일정 깊이로 매설하고, 매설된 전원발생부(30)로부터 전선을 인출하여 전원으로써 사용한다.

전원발생부(30)는 상호간의 자연전위 값에 대해 상대적인 차이를 갖고 있는 마그네슘(Mg) 양극(10) 및 흑연(Graphite) 음극(20)을 포함하며, 상기 마그네슘 양극(10) 및 흑연 음극(20)의 사이에 구비되어 상호 접촉면을 절연시키되, 각 전극(10, 20)간에 이온의 이동이 가능하도록 하는 홀이 다수 형성되는 절연판과, 상기 양극(10) 및 음극(20) 각각의 일단과 전기적으로 연결된 전선(cable)(w)를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 종래 기술에 따른 갈바닉 전원발생장치는 전기방식 설비와 함께 적용되어 지중에 매설된 시설물의 부식감시장치용 전원장치로 사용될 수 있으며 이에 따라 상기 부식감시장치의 배터리 교체에 소요되는 인적/물적 경비를 절감할 수 있다.

그러나, 배터리 교체에 소요되는 경비를 절감하더라도 상기 갈바닉 전원발생장치를 부식감시장치용 전원장치로 사용하기 위해서는 상기 갈바닉 전원발생장치를 추가로 제작하여 매설하여야 하므로 이에 따른 인력과 경비가 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술에 따른 문제점을 보완하기 위한 것으로써, 지중 또는 수중에 존재하는 방식전류나 누설전류를 수확하고 전기에너지로 축적하여 인근에 매설된 시설물의 감시장치 등의 전원으로 활용할 수 있도록 하는 새로운 에너지 수확장치를 제안한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 수확장치는 지중이나 수중에 흐르는 방식전류 또는 누설전류를 수확하는 전류수확 수단; 및 수확된 전류로부터 전기에너지를 저장하는 에너지 저장회로를 포함하며, 이때 상기 전류수확 수단은 직류전류를 수확하는 금속 쿠폰(coupon) 또는 교류전류를 수확하는 솔레노이드 코일 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구비된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.

본 발명에 따른 에너지 수확장치는 지중이나 수중에 존재하는 여러 종류의 에너지를 수확하여 전기에너지로 축적하는 전류수확 수단과 에너지 저장회로를 포함하며, 이를 통해 축적된 에너지가 인근에 구비된 소형 전자기기의 전원으로 활용될 수 있도록 한다.

본 명세서에서는 배관 등의 시설물에서의 방식전류 및 지하철 선로 인근의 누설전류를 수확하여 전기에너지로 활용할 수 있도록 하는 전류수확 수단의 구체적인 구현 예를 실시예로 하여 설명하며, 본 발명의 기술사상이 후술하는 방식전류나 누설전류에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 에너지 수확장치에 있어서, 에너지 저장회로는 전류수확 수단을 통해 발생된 저전압 출력을 적정 전압으로 승압하고, 승압된 상태로 일정하게 출력될 수 있도록 하는 승압수단, 및 상기 전류수확장치가 전원장치로써 활용되는 소형 전자기기의 동작 여부에 따라 정전압/정전류 제어에 의해 배터리에 충전시키는 충전회로부를 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서는 지중 또는 수중에 존재하는 전류를 수확하여 전기에너지로 활용하기 위한 전류수확 수단에 대해 구체적인 실시예를 들어 설명하며, 상기 에너지 저장회로에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.

<실시예 1>

지중에 매설되는 배관 등의 시설물은 철 계열의 금속재료로 이루어지며, 이러한 금속 배관의 부식을 방지하기 위한 전기방식법은 정류기 및 전기방식용 전극인 불용성 양극을 사용하여 방식 대상물에 전류를 인위적으로 흘려주는 외부전원법과 방식 대상물인 배관보다 전위가 낮은 금속을 전기적으로 연결하여 배관의 전위를 낮추는 희생양극법으로 나눌 수 있다.

도 2는 전기방식 설비 중 외부전원법을 이용한 전기방식 설비에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 수확장치가 연결된 구성이 간략하게 도시된 도로써, 에너지 수확장치의 전류수확 수단이 도시된 도이다.

외부전원법을 이용한 전기방식 설비는 도 2에 도시된 바와 같이 지중에 매설 된 배관과 같은 금속구조물(P), 상기 금속구조물(P)에 방식전류를 흘려주기 위한 전기방식용 전극인 불용성 양극(40), 상기 불용성 양극(40)과 금속구조물(P)에 소정의 직류전압을 인가하는 전기방식용 정류기(50)를 포함하여 구성된다. 또한 상기 금속구조물(P)의 전위를 측정하기 위한 기준전극(미도시)을 포함하며, 상기 전기방식용 정류기(50)를 수용하는 단자함을 포함하여 구성될 수 있다.

정류기(50)의 (-)단자와 연결되는 리드선은 지중에 매설되어 있는 방식 대상물인 금속구조물(P)과 전기적으로 연결되고, (+)단자와 연결되어 있는 리드선은 불용성 양극(40)과 전기적으로 연결된다. 금속구조물(P)의 전기화학적 부식은 금속구조물(P)로부터 주변 토양으로 전류가 흘러나올 때 발생하므로 금속구조물(P)의 전위가 전기방식 기준전위인 포화황산동 기준전극 대비 -850mV보다 높으면 전류가 흘러나오는 것으로 판단할 수 있다.

정류기(50)는 금속구조물(P)의 전위를 측정하여 금속구조물(P)의 전위가 전기방식 기준전위인 포화황산동 기준전극 대비 -850mV보다 낮도록 금속구조물(P) 및 불용성 양극(40)에 소정 크기의 직류전압 또는 전류를 인가한다.

정류기(50)를 통해 금속구조물(P) 및 불용성 양극(40)에 전원이 인가되면, 불용성 양극(40)의 전위가 금속구조물(P)의 전위보다 높게 되며, 금속구조물(P)과 불용성 양극(40) 사이에서 전해질 역할을 하는 토양을 통해 불용성 양극(40)으로부터 금속구조물(P)로 방식전류가 흐르게 된다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 수확장치에 있어서, 전류수확 수단(100a)은 상기 방식전류를 수확하기 위한 것으로, 불용성 양극(40)과 금속구조 물(P) 사이에 배치되어 금속구조물(P)로 유입되는 방식전류를 저장하게 된다.

즉, 상기 전류수확 수단(100a)은 도전성이 높은 금속 쿠폰(105, coupon)으로 이루어져 불용성 양극(40)과 금속구조물(P) 사이에 배치되며, 토양을 통해 정류기(+)- 불용성 양극(40)- 금속쿠폰(105)- 전류수확 수단(100a)- 금속구조물(P) -정류기(-)의 폐회로가 형성될 수 있다. 따라서 불용성 양극(40)으로부터 배관 등의 금속구조물(P)로 흐르는 방식전류 중 일부가 금속 쿠폰(105)으로도 흐르며, 금속 쿠폰(105)과 금속 구조물(P) 사이에는 방식전류와 토양비저항에 의한 저항강하(I*R)에 해당하는 전압(Vo)이 발생하며 이를 전자기기의 전원으로 활용할 수 있다.

특히 토양 내의 전기 전도도보다는 금속 쿠폰(105)의 전기전도도가 더 크므로 토양 내에 금속 쿠폰(105)을 배치할 경우 금속 쿠폰(105)에 가까운 토양에 흐르는 방식전류는 금속 쿠폰 측으로 모이게 되어 토양 내에서 여러 방향으로 흐르는 방식전류를 집전하게 되므로, 방식전류의 크기가 수mA로 적다 하더라도 여러 시간에 걸쳐 전류를 집전하게 되면 소형 전자기기에서는 충분히 사용할 수 있을 정도의 전기에너지를 얻을 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 집전되는 방식전류는 에너지 저장회로를 통해 전기에너지로서 저장되어, 인근에 매설된 배관 등의 금속구조물의 상태를 감지하는 센서의 전원으로 공급될 수 있다.

즉, 지중 또는 수중에 매설된 배관 등의 금속구조물은 부식을 방지하기 위한 외부전원이나 희생양극 등의 장치 외에도 부식 상태를 감지하기 위한 센서를 함께 포함할 수 있다. 그러나, 상기 센서는 소형의 전자기기로써 일정 크기의 전원을 지속적으로 소모하므로 일반적으로 통용되는 전지를 사용하는 경우, 일정시간이 지나면 상기 센서의 배터리를 교체해주어야 상기 센서가 정상적으로 동작하는 불편함이 있다.

그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 전류수확 수단 및 에너지 저장회로를 통해 저장된 에너지를 단독으로, 또는 전지와 함께 센서의 동작전원으로 공급하는 경우에는 배터리의 교체 없이 보다 장시간 또는 반 영구적으로 상기 센서가 동작될 수 있다.

<실시예 2>

상술한 바와 같이 금속 배관의 부식을 방지하기 위한 전기방식법으로는 정류기 및 전기방식용 전극인 불용성 양극을 사용하는 외부전원법과 방식 대상물인 배관보다 전위가 낮은 금속을 전기적으로 연결하는 희생양극법으로 나눌 수 있다.

도 3 은 전기방식 설비 중 희생양극법을 이용한 전기방식 설비에 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 수확장치가 연결된 구성이 간략하게 도시된 도로써, 에너지 수확장치의 전류수확 수단이 도시된 도이다.

희생양극법의 경우, 일반적으로 방식대상물인 배관 등의 금속구조물이 철로 이루어지기 때문에 철보다 전위가 낮은 마그네슘 등이 주로 사용될 수 있다.

금속구조물(P)과 희생양극(40')을 전선으로 서로 연결하면, 희생양극(40')으 로부터 금속구조물(P)로 방식전류가 흐르게 되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 전선을 지상으로 인출하여 금속구조물(P) 및 희생양극(40')을 연결하면 지중에 매설된 금속구조물(P) 및 희생양극(40') 사이에 방식전류가 흐르게 된다. 또한, 지중의 금속구조물(P) 및 희생양극(40')이 지상으로 나와있는 전선을 통해 폐회로를 형성할 수 있으며, 이에 따라 금속구조물(P)로부터 희생양극(40')으로 전류가 흐를 수 있다.

따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전류수확 수단은 상술한 도 2에 도시된 바와 같이 금속구조물(P) 및 희생양극(40') 사이에 금속 쿠폰(105)을 배치하여 방식전류를 집전하는 제 1 전류수확 수단(100b)을 구비할 수 있으며, 전선을 통해 희생양극(40')으로 흐르는 전류가 간섭에 의해 교류의 형태를 갖는 경우에도 이를 집전하기 위해 금속구조물(P)과 희생양극(40')을 연결하는 전선 외부에 솔레노이드 코일(110)을 배치하여 교류형태의 전류를 집전하는 제 2 전류수확 수단(100c)을 함께 구비할 수 있다.

도 2와 함께 실시예 1에서 상술한 바와 같이 집전된 전류는 에너지 저장회로를 통해 전기에너지로 저장되어 인근에 매설된 배관 등의 금속구조물의 상태와 함께 희생양극(40')의 상태를 감지하는 센서의 전원으로 공급될 수 있다.

희생양극(40')의 경우, 방식대상물인 금속구조물(P)보다 전위가 낮은 양극물질을 사용함으로써 금속구조물은 음극이 되며, 이에 대응하여 희생양극은 양극이 되어 점차 산화하게 된다. 따라서 계속 산화하다가 어느 정도 소모하게 되면 더이상 희생양극으로써의 기능을 할 수 없으므로 새로운 양극으로 교체해주어야 하며, 이에 따라 희생양극의 소모상태를 실시간으로 감지할 수 있는 센서가 요구된다.

따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따라 저장된 전기에너지를 사용함으로써 센서의 동작전원을 제공할 수 있으며, 다수의 센서에 대한 유지/보수 작업이 크게 간소화되므로 사용자의 편의성을 크게 높일 수 있게 된다.

<실시예 3>

한편, 일정 간격마다 세워져 있는 전신주에는 60Hz 특고압 또는 저압의 전선 및 전력설비가 지지되어 있는데, 각 전신주의 접지를 통해 3상 불평형 전류나 누설전류가 흐르기도 한다.

도 4 는 본 발명의 제 3실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도로서, 고압의 교류 누설전류를 수확하는 전류수확 수단이 도시된 도이다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 전류수확 수단은 전신주의 접지를 통해 흐르는 교류 누설전류를 수확하기 위한 것으로써, 교류 누설전류는 각 전신주에서 중성선과 연결된 접지선을 따라 전신주 근처에 매설된 접지봉을 통해 토양으로 흘러 들어가게 된다.

접지봉은 토양에 전기적으로 접속되는 단자 역할을 하는 봉 형상의 전극으로 접지저항이 낮을수록 전류가 쉽게 토양에 흘러 들어갈 수 있다.

따라서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전류수확 수단(100d)은 상기 접지봉에 연결된 접지선에 솔레노이드 코일(110)의 형태로 연결되어 교류전류가 코일(110)을 통해 저장될 수 있도록 한다.

<실시예 4>

도 5 는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도로써, 지하철 선로로부터의 누설전류를 수확하는 전류수확 수단이 도시된 도이다.

지중에 매설되는 금속구조물은 지하철 선로 주변에 매설되는 경우가 있다. 지하철 선로는 급전선(feeder)과 레일(rail)로 구성되며, 지하철 변전소에서 양 단에 소정 전압을 공급함에 따라 선로 상에 놓여진 지하철이 이동하게 된다. 지하철 선로는 지하철 변전소를 중심으로 하나의 큰 회로를 형성하게 되는데, 지하철 선로에는 공급전류가 흐르며 이 중 일부가 레일을 통해 주변의 토양으로 누설된다. 이때 인근에 배관 등의 금속구조물이 있는 경우 누설전류는 배관을 따라 흐르게 된다.

본 발명의 제 4 실시예에 따른 전류수확 수단은, 상술한 바 및 도 5에 도시된 바와 같이, 지하철 선로로부터 유출/입되는 누설전류 또는 배관을 통해 흐르는 누설전류(I)를 수확하여 전기에너지로 활용하기 위한 것으로, 직류 전류를 수확하기 위한 금속 쿠폰과 교류 전류를 수확하기 위한 코일을 적절히 배치함으로써 얻을 수 있다.

보다 상세히 설명하면, 금속쿠폰(105)을 포함하는 전류수확 수단(100e)의 경우, 일반적으로 지하철 선로의 공급전원은 직류전압/직류전류이며, 지하철 선로로부터 유출/ 입되는 누설전류 역시 대부분 직류전류라 할 수 있으므로, 지하철 선로 인근에 금속 쿠폰(105) 및 에너지 저장회로를 배치하는 것으로도 금속쿠폰(105)을 통해 주변의 누설전류가 집전되어 전기에너지로 저장될 수 있다.

또한, 공급전원 자체는 직류전압/직류전류이나 선로로부터 누설되어 토양에 흐르는 누설전류는 토양을 매질로 하여 흐르면서 그 값이 비교적 일정하지 않고 계속 변화할 수 있다. 따라서, 값이 계속 변화하는 전류를 수확하기 위한 코일(110)을 포함하는 전류수확 수단(100f)을 선로 인근에 금속 쿠폰(105) 및 에너지 저장회로와 함께 배치하는 것으로, 금속 쿠폰(105)과 코일(110)을 통해 전류가 수확되어 전기에너지로 저장될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 에너지 수확장치에 대해 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 지중 또는 수중에 흐르는 여러 종류의 전류를 수확하고 전기에너지로서 저장하여 소형 전자기기의 전원으로 활용할 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.

도 1 은 종래 기술에 따른 전원장치의 구성이 간략하게 도시된 구성도,

도 2 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도,

도 3 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도,

도 4 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도, 및

도 5 는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성이 간략하게 도시된 도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

P: 금속구조물 40: 불용성 양극

40': 희생양극 50: 전기방식용 정류기

100a ~ 100f: 전류수확 수단 105: 금속 쿠폰

110: 솔레노이드 코일

Claims (7)

1. 지중이나 수중에 흐르는 방식전류 또는 누설전류를 수확하는 전류수확 수단; 및

   수확된 전류로부터 전기에너지를 저장하는 에너지 저장회로

   를 포함하는 에너지 수확장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류수확 수단은 직류전류를 수확하는 금속 쿠폰(coupon) 또는 교류전류를 수확하는 솔레노이드 코일 중 적어도 하나 이상을 포함하는 에너지 수확장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 쿠폰은 전기방식 대상물로써 지중 또는 수중에 매설된 배관과 연결되어 상기 배관으로 방식전류가 유입되는 경우, 상기 방식전류를 수확하는 에너지 수확장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 솔레노이드 코일은 전신주의 접지봉과 연결되어 전선 및 전력설비로부터 지중으로 흘러 나오는 교류 누설전류를 수확하는 에너지 수확장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 솔레노이드 코일은 지하철 선로 인근에 매설되어 상기 선로로부터 유출/입되는 교류 누설전류를 수확하는 에너지 수확장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 쿠폰은 지하철 선로 인근에 매설된 배관과 연결되어 상기 지하철 선로로부터 상기 배관으로 유출/입되는 직류 누설전류를 수확하는 에너지 수확장치.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 쿠폰은 지중 또는 수중에 적어도 1개 이상이 매설되어 지중 또는 수중에 흐르는 전류를 수확하는 에너지 수확장치.

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