KR20130005445A - 압전소자를 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치는 물이 떨어지는 위치에 설치되어 떨어지는 물에 의해 가해지는 외부 압력을 전기에너지로 변환하는 다수의 압전소자가 연결되어 이루어지는 압전소자부와, 상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로와, 상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로와, 상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지 및 상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하여 구성된다.

Description

압전소자를 이용한 발전장치 {POWER GENERATION APPARATUS USING PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전하는 장치에 관한 것이다.

널리 알려진 바와 같이, 압전소자는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 인가되었을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환한다.

상기 압전소자의 대표적인 물질로는 수정, 로셀염 또는 티탄산 바륨 등을 들 수 있다. 이중 수정은 1 ~ 100MHz의 초음파를 발생하는 초음파발생기에, 로셀염은 음향기기에, 티탄산바륨 등의 압전반도체는 전기기계 결합계수가 크며 저주파에서부터 수MHz 범위의 음향기기ㆍ소리굽쇠ㆍ메커니컬필터ㆍ초음파지연소자 등에 쓰인다.

상기 압전소자의 특성을 이용하여 진동하는 에너지를 수확해서 전기에너지를 발생하기 위하여 다양한 분야에서 활용되고 있다.

즉 진동이나 기계적인 에너지를 압전소자에 가하여 압전소자로부터 전기적인 에너지가 발생 되도록 하는 종래기술로서, 신발의 뒤축에 압전소자를 장착하여 보행자가 걸어다닐 때마다 신발로부터 전기에너지가 생산되도록 하고 있다.

또한, 대한민국 특허공개공보 제2005-68849호의 차량 진동을 이용한 발전장치는 차량의 에어 스프링을 구성하는 에어백 내부에 장착되어, 차량의 바운싱에 따라 승강되는 압전 지지대와, 압전 지지대에 고정 장착되는 압전소자 어셈블리와, 차량의 액슬에 일단 이 고정되며, 타단은 상기 압전 소자 어셈블리에 접촉되는 압전 코어와, 압전 소자 어셈블리에 전력 송출선으로 장착되는 정류기와, 정류기로 정류된 전기를 축전하는 축전기가 구비된 것이 개시되어 있다.

이와 같이 종래에 차량의 내부나 보행자의 이동이 많은 공간에서 전달되는 진동이나 가압력을 발전하여 전기에너지로 재생하는 기술이 개시되어 있지만, 차량에 설치된 발전 시스템은 발전량이 적을 뿐만 아니라 발전된 전기에너지는 차량의 배터리에 재충전용으로 사용되는 등 차량에 한정되어 적용되는 단점이 있었다.

그리고 보행자의 신발에 장착되는 발전장치는 일정한 크기 이상의 전기에너지 생성이 불가능한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전 및 축전함으로써, 공해 및 이산화탄소의 발생이 없는 재생에너지를 생산할 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치는, 물이 떨어지는 위치에 설치되어 떨어지는 물에 의해 가해지는 외부 압력을 전기에너지로 변환하는 다수의 압전소자가 연결되어 이루어지는 압전소자부;

상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로;

상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로;

상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지: 및

상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 압전소자나 압전소자부는 수직으로 마주보게 설치되는 지지 프레임의 내측에 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착되어, 일측에 부딪힌 물이 타측 아래에 다시 부딪히면서 떨어지도록 하는 경사판의 상부에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 압전소자부는 압력을 받는 진동편이 외부에서 노출된 상태에서 인접된 진동편과 전기적으로 연결된 후 베이스에 고정되며, 상기 진동편 상부에는 고무판이나 우레탄 재질의 커버를 씌워 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 진동편끼리의 연결은 피복이 입혀진 은도금 구리선에 의해 연결된 것을 특징으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 낙하하는 물(예를 들어 빗물, 폭포수, 분수 등)의 하부에 압전소자를 설치해서 낙하하는 물에 의해 가해지는 압력에너지를 압전소자에서 전기에너지로 변환하여 발전 및 축전함으로써, 공해 및 이산화탄소의 발생이 없는 재생에너지를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전장치의 블록도,
도 2는 도 1에 나타낸 압전소자부를 구성하는 압전소자의 예시도,
도 3은 도 1에 나타낸 압전소자부가 다수인 경우 압전소자부의 연결 예시도,
도 4a와 도 4b는 도 1에 나타낸 압전소자부의 설치 상태도.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전장치의 블록도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 압전소자부를 구성하는 압전소자의 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 발전장치(1)는 압전소자부(10), 과전압보호회로(20), 정류회로(30), 평활회로(40) 및 축전지(50)를 포함하여 구성된다.

압전소자부(10)는 적절한 전압과 전류를 얻기 위해서 종횡으로 배열의 다수의 압전소자를 직렬 또는 병렬이나 직병렬로 연결하여 이루어진다.

상기 압전소자부(10)를 구성하는 압전소자(100)는 수정, 전기석, 로셸염 등의 얇은 판(진동편)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하가 나타나 압전효과에 의하여 진동되면서 안정된 주파수를 공급한다.

상기 압전소자(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 절연체(111) 사이에 전극회로(112)들이 배열된 케이스(110) 내부에 진동편(130)이 수납되어 전극회로(112)에 연결되고 케이스(110)의 상부에 리드(Lid)(120)가 열에 의하여 용융되는 링형의 접착소재(121)에 의하여 접착되어 그 내부가 밀폐된다.

이때 리드(120)를 케이스(110)의 상부면에 올려놓고 열을 가하면 금속 접착소재(121)가 용융되면서 리드(120)가 케이스(110)에 접착된다.

미설명 부호 131은 진동편(130)과 전극회로(112)를 전기적으로 연결하는 와이어이다.

상기 압전소자부(10)는 각 압전소자(100)에서 생성된 미세한 전력을 모아 일정한 교류 전력을 출력한다.

정류회로(30)는 상기 압전소자부(10)에서 출력하는 교류(AC)를 전파정류하여 직류(DC)로 변환한다.

상기 정류회로(30)로는 예를 들어 전류가 병렬 연결된 전기 전도체로 분리되고 회로망이 둘러싼 도체에 재결합하는 브리지 회로로 구성할 수 있다.

평활회로(40)는 상기 정류회로(30)의 출력에 포함된 맥류분(脈流分)을 감소하기 위하여 사용하는 저역필터이다.

상기 평활회로(40)는 예를 들어 콘덴서(C)와 인덕터(L)나 저항(R)으로 구성된다.

죽 상기 정류회로(30)와 평활회로(40)는 상기 압전소자부(10)로부터 수집된 전력을 정류하고, 리플을 제거하는 과정을 거쳐 일정 전압의 직류로 변환하여 출력한다.

축전지(50)는 상기 평활회로(40)에서 출력되는 직류 전압을 충전한다.

과전압보호회로(20)는 상기 압전소자부(10)를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우, 또는 정류회로(30)와 평활회로(40) 또는 축전지(50)에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부(10)로 인가되는 경우 이를 차단하여 발전장치(10)의 내부 구성을 보호한다.

전압조절기(45)는 상기 발전기(10)의 출력전압이 떨어져 평활회로(40)에서 출력되는 직류전압이 낮은 경우, 일시적으로 축전지(50)에서 평활회로(40)로 전류가 흐르는 역류현상을 방지한다.

도 3은 도 1에 나타낸 압전소자부가 다수인 경우 압전소자부의 연결 예시도이다.

도시된 바와 같이 인접된 압전소자부(10a,10b,10c,10d)를 연결선(11)을 통해 서로 연결하고, 이때 연결선(11)에 스위치(S)가 구비되어 이 스위치(S)에 의해 서로 인접되는 압전소자부(10a,10b,10c,10d)들은 전기적으로 연결되거나, 전기적 연결이 차단된다.

이에 의해 각 압전소자부(10a,10b,10c,10d)에서 얻은 전력을 수집하여 더 많은 전력을 축전지(50)에 충전할 수 있다.

도 4a와 도 4b는 도 1에 나타낸 압전소자부의 설치 상태도로서, 분수대에 설치하는 경우의 예시도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 분수대(200)에 구비된 노즐(210)을 통해 뿜어 올린 물이 떨어지는 위치의 도중에 수직으로 지지 프레임(220)을 마주보게 설치하고, 이 마주보는 지지 프레임(220) 내측에 경사판(222)을 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착하여 일측의 경사판(222)에 부딪힌 물이 타측 아래에 있는 경사판(222)에 다시 부딪히면서 떨어지도록 한다.

이때 상기 경사판(222)에는 압전소자(100)나 다수의 압전소자로 이루어진 압전소자부(10)가 상부에 장착되어 각 압전소자(100)에서 떨어지는 물의 압력에 의해 전기 에너지(교류)를 생성한다.

이때 떨어지는 물이 압전소자(100)에 부딪히면서 바로 바닥에 떨어지는 것이 아니라, 경사판(222)에 의해 타측 아래에 있는 압전소자(100)에 다시 부딪히기 때문에 한번 떨어지는 물을 이용하여 여러 번 전기 에너지를 생성할 수 있어 그 효율을 높일 수 있는 것이다.

각 압전소자(100)에 생성된 전기 에너지는 압전소자부(10)에 수집되어 정류회로(30)에 입력되거나 직접 정류회로(30)에 입력되어 직류로 변환된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 분수대(200)에 구비된 노즐(210)을 통해 뿜어 올린 물이 떨어지는 곳의 수면보다 높은 위치에 수평 프레임(230)을 설치하고, 이 수평 프레임(230) 상부에 다수의 압전소자(100)로 이루어진 압전소자부(10)를 설치한다.

상기 압전소자(100)는 떨어지는 물의 압력에 의해 전기 에너지(교류)를 생성하되, 압전소자부(100)가 수면보다 약간 높은 위치에 설치되기 때문에 떨어지는 물의 속도가 거의 최대가 되었을 때 압전소자(100)에 압력을 가하기 때문에 한꺼번에 많은 전기 에너지를 생성할 수 있다.

각 압전소자(100)에 생성된 전기 에너지는 압전소자부(10)에 수집된 후 정류회로(30)에 입력되어 직류로 변환된다.

한편, 도 4b에 도시된 바와 같이, 전기 에너지의 생성 효율을 높이기 위하여 본 발명에서는 도 2에 나타낸 압전소자(100)의 케이스(110) 및 리드(120)를 제거하고, 압력을 받는 부분 즉, 진동편(130)끼리만 전기적으로 연결한 후 그것들을 우드락과 같은 베이스(140)에 고정하며, 압력을 받는 상기 진동편(130) 상부에는 고무판이나 우레탄과 같은 커버(160)를 씌워 압력에는 민감하게 반응하면서도 진동편(130)을 보호할 수 있도록 한다.

이때 진동편(130)끼리의 연결은 테플론 피복이 입혀진 은도금 구리선(150)을 이용하여 외부와 절연이 되도록 한다.

이상에서는 압전소자(100)나 압전소자부(10)를 인위적으로 물을 뿜어내는 분수대에 설치하는 예를 들었으나, 자연적으로 물이 떨어지는 폭포, 우수(빗물), 농수로 등에도 설치하여 전기에너지를 생성할 수 있는 것이다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1: 발전장치 10: 압전소자부
20: 과전압보호회로 30: 정류회로
40: 평활회로 45: 전압조절기
50: 축전지 100: 압전소자

Claims (4)

1. 물이 떨어지는 위치에 설치되어 떨어지는 물에 의해 가해지는 외부 압력을 전기에너지로 변환하는 다수의 압전소자가 연결되어 이루어지는 압전소자부;
   상기 압전소자부에서 출력되는 전기에너지를 전파정류하여 직류로 변환하는 정류회로;
   상기 정류회로에서 출력된 직류에 포함된 리플을 제거하는 평활회로;
   상기 평활회로에서 출력되는 직류 전압을 축전하는 축전지: 및
   상기 압전소자부를 통해 과전압 또는 과전류가 인가되는 경우나, 정류회로와 평활회로 또는 축전지에서 과전압 또는 과전류가 압전소자부로 인가되는 경우 이를 차단하는 과전압보호회로를 포함하는 압전소자를 이용한 발전장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압전소자나 압전소자부는 수직으로 마주보게 설치되는 지지 프레임의 내측에 서로 다른 높이를 갖도록 지그재그로 장착되어, 일측에 부딪힌 물이 타측 아래에 다시 부딪히면서 떨어지도록 하는 경사판의 상부에 장착되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 압전소자부는 압력을 받는 진동편이 외부에서 노출된 상태에서 인접된 진동편과 전기적으로 연결된 후 베이스에 고정되며, 상기 진동편 상부에는 고무판이나 우레탄 재질의 커버를 씌워 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 진동편끼리의 연결은 피복이 입혀진 은도금 구리선에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 발전장치.

Images