KR20110113511A - 압전 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 발전 장치에 관한 것으로, 그 구성은, 축부와, 원판으로 형성되는 압전체와, 상기 압전체의 직경보다 상대적으로 큰 원판으로 형성되는 진동판과, 상기 진동판의 가장자리에 위치되는 질량체 그리고, 상기 질량체를 상기 진동판에 고정시키는 연결부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

압전 발전 장치{A Piezoelectricity Power Generating System}

본 발명은 압전 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공진주파수를 조절할 수 있는 압전 발전 장치에 관한 것이다.

최근 화석 연료의 고갈 문제로 전기의 사용량이 점차 증가하고 있으며 이로 인해 발전량의 부족으로 에너지 부족현상이 점차 심각해져 가고 있다. 한편, 액츄에이터형의 각종 장치들은 소리나 진동에 의해 에너지가 버려지고 있으며 이러한 에너지의 경우 소음공해를 발생시키거나 기계적 진동으로 인한 장치의 수명을 줄어들게 만든다.

이러한 버려지는 진동에너지를 전기에너지로 변화하기 위해서 여러가지 발전장치가 고안되었는데, 그 중 대표적인 것은 압전체를 이용한 발전장치이다. 압전체는 페로브스카이트의 분자구조를 가짐으로 인해 소자자체에 외력이 가해지면 전기에너지가 발생된다.

압전체는 유니몰프 혹은 바이몰프 형태로 구성되며, 유니몰프형 압전 진동자는 금속재질의 단면에 박형의 압전체를 증착한 구조로 연성과 탄성이 뛰어나며, 금속판에 변형이 일어나게 되면 압전소자가 수축 혹은 팽창되어 전기적 에너지를 발생시킨다.

이러한 유니몰프나 바이몰프형 압전진동자를 이용한 발전장치의 경우 특정한 주파수의 진동이 입력되면 공진이 발생하여 진동이 증가되고 에너지의 변환효율도 높아지게 된다. 유니몰프나 바이몰프형 압전발전기의 공진주파수는 탄성체의 두께, 압전체의 크기와 두께, 발전기의 형상에 의한 질량의 분포에 따라 공진주파수가 결정된다.

동일한 질량의 유니몰프나 바이몰프형 압전발전기의 경우 진동원에 가까운 쪽으로 질량이 많이 분포하면 공진주파수는 높아지게 되고 질량의 분포가 진동원에서 멀이질수록 공진주파수는 낮아지게 된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 진동 발생부에 압전체(2)를 부착하여 진동에너지를 전기적인 에너지로 변환하게 되는데, 유니몰프나 바이몰프형 압전진동자의 경우 제작시에 탄성체(4), 질량체(6) 및 압전체(2) 등의 크기 및 위치에 오차가 발생되어 공진주파수가 일정하지 않는 경우에 발생된다. 이렇게 주파수가 변형되는 경우 이를 수정할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주파수를 가변할 수 있는 압전 발전 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명인 압전 발전 장치는, 축부와, 원판으로 형성되는 압전체와, 상기 압전체의 직경보다 상대적으로 큰 원판으로 형성되는 진동판과, 상기 진동판의 가장자리에 위치되는 질량체; 그리고, 상기 질량체를 상기 진동판에 고정시키는 연결부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 질량체는, 상기 진동판의 가장자리에 일정한 간격으로 이격되어 다수개 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 연결부가 상기 진동판에 접촉되는 면의 폭은, 상기 연결부가 부착된 부분에서의 상기 진동판의 원호의 길이의 1/18이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 연결부는, 수직단면이 T자 형상으로 상기 진동판에 지름방향으로 수직으로 형성되는 가이드와, 상기 가이드를 따라 이동가능하도록 상기 가이드의 상부와 형합되도록 상기 질량체에 형성되는 가이드홈; 그리고, 상기 질량체를 관통하여 상기 질량체를 상기 가이드에 고정시키는 고정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 연결부와 상기 진동판 사이에는 연질의 보호막이 더 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 압전 발전 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

진동을 증폭시키는 질량체의 위치를 이동시켜 주파수의 변경에 따라 다양하게 대응하여 공진주파수를 형성할 수 있어, 발전되는 에너지의 변환효율이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 압전 발전 장치의 구성을 보인 측면도.
도 2는 본 발명에 의한 압전 발전 장치의 구성을 보인 사시도.
도 3은 도 2의 압전 발전 장치를 A-A' 로 절단한 구성을 보인 측단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 압전 발전 장치의 작동원리를 보인 동작상태도.
도 5는 도 2의 압전 발전 장치를 B-B'로 절단한 구성을 보인 측단면도.
도 6은 본 발명에 의한 압전 발전 장치에서 질량체가이드를 부착하지 않은 것과, 부착한 것의 출력특성을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 압전 발전 장치에서 질량체의 위치를 변경하여 측정했을 때의 출력전력특성을 도시한 그래프

이하, 본 발명에 따른 압전 발전 장치의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 압전 발전 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 축부(10)와, 상기 축부(10)를 중심으로 원판으로 형성되는 압전체(12)와, 상기 압전체(12)의 직경보다 상대적으로 큰 원판으로 형성되는 진동판(14)과, 상기 진동판(14)의 가장자리에 위치되는 질량체(16)와, 상기 질량체(16)를 상기 진동판(14)에 고정시키는 연결부(18)와, 상기 압전체(12)와 전기적으로 연통되는 회로부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 본 발명에 의한 압전 발전장치에는 축부(10)가 마련된다. 상기 축부(10)는, 본 발명인 압전 발전 장치를 구성하는 아래에서 설명될 구성요소들을 지지하며, 진동을 제공하는 역할을 한다.

그리고, 상기 축부(10)를 중심으로 압전체(12)가 마련된다. 상기 압전체(12)는, 도 2에 도시된 바와 같이 원판으로 구성되어, 아래에서 설명될 진동판(14)이 상기 축부(10)에 대해 상대적으로 상하로 진동함에 따라 전기를 발생시키는 역할을 한다.

예를 들면, 도 4a에 도시된 바와 같은 변형이 발생되면, 상기 압전체(12)의 상부에는 정(+)전압이 발생되고, 압전체(12)의 하부에는 부(-)전압이 발생된다.

상기 압전체(12)에는 진동판(14)이 마련된다. 상기 진동판(14)은, 상기 압전판(12)의 상하면 중 어느 일측에 접촉되도록 원판으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 진동판(14)은 상기 압전체(12)의 지름보다 상대적으로 큰 지름으로 형성되어 아래에서 설명될 질량체(16)에 의해 발생되는 진동을 압전체(12)로 전달하는 역할을 한다.

상기 진동판(14)은 탄성체로 구성될 수 있다. 이는 상기 진동판(14)의 진동이 상기 압전체(12)로 잘 전달되도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 진동판(14)의 가장자리에는 질량체(16)가 마련된다. 상기 질량체(16)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(14)의 진동을 증폭하도록 하는 역할을 한다. 상기 질량체(16)는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수개가 마련될 수 있다. 상기 질량체(16)는 일정한 간격으로 이격되도록 위치될 수 있다.

또한, 상기 진동판(14)과 상기 질량체(16) 사이에는 연결부(18)가 더 마련될 수 있다. 상기 연결부(18)는 상기 질량체(16)가 상기 진동판(14)에 고정되도록 하는 역할을 한다.

상기 연결부(18)는 상기 진동판(14)에 상기 질량체(16)를 고정시키기 위해 다양한 구성으로 구성될 수 있으며, 예를 들면 다음과 같이 구성될 수 있다.

상기 연결부(18)는 도 5에 도시된 바와 같이, 수직단면이 T자 형상으로 상기 진동판(14)에 지름방향으로 수직으로 형성되는 가이드(18a)와, 상기 가이드(18a)를 따라 이동가능하도록 상기 가이드의 상부와 형합되어 상기 질량체에 형성되는 가이드홈(18b)과, 상기 질량체를 관통하여 상기 질량체를 상기 가이드에 고정시키는 고정부(18c)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 상기 연결부(18)에는 가이드(18a)가 마련된다. 상기 가이드(18a)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 진동판(14)의 상하면 중 어느 일측면에 지름방향으로 형성된다. 이는 상기 질량체(16)가 상기 가이드(18a)를 따라 상기 진동판(14)의 지름방향으로 이동가능하도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 가이드(18)가 상기 진동판(12)과 접촉되는 바닥면의 폭은 최소로 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 가이드(18)의 접촉면에 의해 상기 진동판(12)의 주파수가 변형되는 것을 최소화하기 위함이다. 예를 들면, 상기 가이드(18)의 바닥면의 폭이 상기 진동판(12)의 원호이 길이의 1/18이하로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가이드(18)를 따라 상기 질량체(16)가 안전하게 이동가능하도록 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가이드(18)는 단면이 T자 형상으로 형성되고, 상기 질량체(16)는 상기 가이드(18)의 상부와 형합되도록 가이드홈(18b)이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 질량체(16)가 상기 가이드(18)에 고정되도록 고정부(18c)가 마련된다. 상기 고정부(18c)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어 나사로 구성될 수 있으며, 상기 질량체(16)를 관통하여 상기 가이드(18)에 밀착되어 상기 질량체(16)가 고정되도록 한다.

또한, 상기 연결부(18)와 상기 진동판(14) 사이에는 보호막(22)이 더 마련될 수 있다. 상기 보호막(22)은 연질의 세라믹판으로 구성되어, 상기 질량체(16)와 상기 진동판(14) 사이의 진동이 안전하게 전달되도록 할 수 있다.

그리고, 본 발명인 압전 발전 장치에는 회로부(20)가 마련된다. 상기 회로부(20)는, 상기 압전체(12)와 전기적으로 연통되어, 상기 압전체(12)에서 발생하는 전기를 정류부 및 충전부로 전달하는 역할을 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압전 발전 장치의 작용을 상세하게 설명한다.

먼저, 외부로부터 전달받은 진동은 질량체(16)를 상하로 이동하도록 한다. 상기 질량체(16)가 상하로 이동하면, 진동판(14)이 상하로 이동하게 되고, 압전체(12)가 팽창 및 수축을 반복하면서 전기가 발생하게 된다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 질량체(16)가 상부 방향으로 이동하면, 상기 압전체(12)의 상부에는 정(+)전압이 발생되고, 압전체(12)의 하부에는 부(-)전압이 발생된다.

그리고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 질량체(16)가 하부방향으로 이동하면, 상기 압전체(12)의 상부에는 부(-)전압이 발생되고, 압전체(12)의 하부에는 정(+)전압이 발생된다.

상술한 방법에 의해 발생된 전기는 회로부(20)를 통하여 정류부 및 충전부로 전달되어 교류전류로 정류되어 충전된다.

특히, 상기 질량체(16), 진동판(14) 및 압전체(12)의 진동이 특정주파수로 발생되면 공진이 형성되어 압전체에서는 최대효율의 전력이 발생된다.

상기 질량체(16)가 상기 진동판(14)과 특정주파수로 진동이 발생되도록 상기 질량체(16)의 위치를 이동시킬 수 있다. 상기 질량체(16)를 상기 가이드(18a)를 따라 이동시켜 공진이 발생되는 위치에서 고정부(18c)를 이용하여 고정시켜 상기 질량체(16)와 상기 진동판(14)의 주파수를 조절할 수 있다.

그리고, 도 6은 질량체(16) 및 가이드(18a)가 형성된 압전 발전 장치와 상기 질량체(16)와 상기 가이드(18a)가 형성되지 않은 압전 발전 장치에 0.2[N]의 힘을 인가할 때 1[kΩ]의 저항에서 얻어지는 발전특성을 도시하였다. 질량체(16) 및 가이드(18a)가 형성된 압전 발전 장치의 발전량이 질량의 분포에 의해 증가함을 확인할 수 있다.

또한, 도 7은 압전체(12)의 주파수가 변화할 때 본 발명에 의한 압전 발전 장치의 질량체(16)가 가이드(18a)를 따라 이동하여 공전주파수를 변경하면서 출력전력을 측정하여 발생된 주파수 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서 주파수의 증가에 따라 발전량이 소량으로 감소하지만 발전기의 사용주파수는 현격히 증가함을 알 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 축부 12: 압전체
14: 진동판 16: 질량체
18: 연결부 18a: 가이드
18b: 가이드홈 18c: 고정부
20: 회로부 22: 보호막

Claims (5)

1. 축부;
   원판으로 형성되는 압전체;
   상기 압전체의 직경보다 상대적으로 큰 원판으로 형성되는 진동판;
   상기 진동판의 가장자리에 위치되는 질량체; 그리고,
   상기 질량체를 상기 진동판에 고정시키는 연결부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 발전 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 질량체는,
   상기 진동판의 가장자리에 일정한 간격으로 이격되어 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 발전 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 연결부가 상기 진동판에 접촉되는 면의 폭은,
   상기 연결부가 부착된 부분에서의 상기 진동판의 원호의 길이의 1/18이하인 것을 특징으로 하는 압전 발전 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 연결부는,
   수직단면이 T자 형상으로 상기 진동판에 지름방향으로 수직으로 형성되는 가이드;
   상기 가이드를 따라 이동가능하도록 상기 가이드의 상부와 형합되도록 상기 질량체에 형성되는 가이드홈; 그리고,
   상기 질량체를 관통하여 상기 질량체를 상기 가이드에 고정시키는 고정부;를 포함하여 구성되는 압전 발전 장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 연결부와 상기 진동판 사이에는 연질의 보호막이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 압전 발전 장치.
   
   
   

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