KR20130045140A - Piezoelectric harvesting system by using by using water flow - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A piezoelectric harvesting system is provided to enable to hit a piezoelectric module with a hitting member mounted in a rotating unit as the rotation of the rotating unit around a fixing unit is possible by using a bearing structure so that the efficiency of generating electric energy is improved. CONSTITUTION: A piezoelectric harvesting system comprises a rotating unit(110), a fixing member(120), and a piezoelectric module. The rotating unit includes propellers(111) rotating by a flow of fluid. The fixing unit is a bearing structure to be fixed to one side of the rotating unit. The piezoelectric module is mounted on a fixing frame fixing the fixing unit.

Description

압전 하베스팅 시스템{PIEZOELECTRIC HARVESTING SYSTEM BY USING BY USING WATER FLOW}Piezoelectric Harvesting System {PIEZOELECTRIC HARVESTING SYSTEM BY USING BY USING WATER FLOW}

압전 하베스팅 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 수류 또는 바람을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적인 발전을 할 수 있는 압전 하베스팅 시스템이 개시된다.
A piezoelectric harvesting system is disclosed. More specifically, a piezoelectric harvesting system is disclosed that can be efficiently generated under various external forces including water flow or wind.

최근 자연의 에너지 사용 비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전시스템의 용량도 늘어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하고 사람들로부터 멀리 떨어진 곳에 설치하여야 되는 문제가 있어 추가적인 발전시스템이 고려되고 있다.Recently, the share of energy use in nature is steadily increasing, and the size of power generation is also getting bigger and larger, and the capacity of the power generation system for this is also increasing. In the case of general renewable energy generation, photovoltaic or wind power generation, there is a problem that power generation is not stable due to irregular natural energy and needs to be installed far from people.

이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생에너지의 발전효율 등을 고려할 때, 초전도압전발전시스템의 개발이 진행 중이다.In order to solve this problem, power generation systems have been considered as various types of distributed power sources, but considering the generation efficiency of renewable energy, superconducting piezoelectric power generation systems are under development.

일반적인 풍력발전의 형태는 산간지역 등 바람이 많이 부는 곳의 고정된 위치에서 대형 프로펠러를 설치하여 전기를 생산하고, 도시 지역으로 에너지를 전달하는 방식의 시스템을 구성한다. 또한, 태양광 발전의 형태는 산간지역이나 햇빛이 잘 드는 곳의 고정된 위치에서 대형 태양집광판을 설치하여 전기를 생산하고, 필요한 곳으로 전력을 전달하는 방식의 시스템을 구성한다. 진동이나 압력을 이용한 발전기술은 일반적으로 세라믹 압전소자를 사용하여, 인구 유동이 많은 전철이나 고속도로 등의 바닥에 설치하여 에너지를 수확한다.The general form of wind power generation is a large propeller installed at a fixed location in a windy place such as a mountainous area to produce electricity and constitute a system of delivering energy to urban areas. In addition, the form of photovoltaic power generation generates electricity by installing a large solar panel in a fixed location in a mountainous area or a sunny place, and constitutes a system of a method of delivering electric power to a required place. Power generation technology using vibration or pressure generally uses ceramic piezoelectric elements to install energy on the floor of trains or highways with high population flows to harvest energy.

하지만, 기존의 풍력발전기나 태양광발전기는 그 크기와 형태, 상대적인 구성의 복잡성 및 낮은 내구성에 의해 휴대 및 이동에 그 한계가 있어 사용하기 어렵다. 또한, 이러한 풍력발전기는 난류에 의해 발생되는 반복 및 지속적이지 않은 랜덤(random)한 진동 혹은 수류를 수확하기에는 굉장히 불리하다.
However, the existing wind power generators or solar power generators are difficult to use because they have limitations in carrying and moving due to their size and shape, the complexity of the relative configuration and low durability. In addition, such wind turbines are extremely disadvantageous for harvesting repetitive and non-continuous random vibrations or streams generated by turbulence.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 수류 또는 바람을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적인 발전을 할 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.An object according to an embodiment of the present invention is to provide a piezoelectric harvesting system capable of efficient power generation under various external forces including water flow or wind.

또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 초전도 베어링 구조 또는 볼 베어링 구조와 같은 베어링 구조를 이용하여 고정부에 대한 회전부의 회전이 가능하여, 회전부에 장착된 타격부재로 압전체 모듈을 타격할 수 있으며 따라서 전기에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있는 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
In addition, another object according to an embodiment of the present invention, by using a bearing structure, such as a superconducting bearing structure or ball bearing structure is possible to rotate the rotating part relative to the fixed portion, it can hit the piezoelectric module with the striking member mounted on the rotating portion Therefore, to provide a piezoelectric harvesting system that can improve the electrical energy generation efficiency.

본 발명의 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 수류(water flow)에 의해 회전하는 프로펠러를 구비하며, 상기 프로펠러의 회전 시 같이 회전하는 회전부; 상기 회전부의 일측에 고정되게 배치되는 베어링(bearing) 구조의 고정부; 및 상기 고정부를 고정시키는 고정 프레임에 장착되며, 상기 회전부의 회전 시 상기 회전부에 의해 타격되어 전기에너지를 생성하는 압전체 모듈;을 포함할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 베어링 구조를 이용하여 고정부에 대한 회전부의 회전이 가능하여, 회전부에 장착된 타격부재로 압전체 모듈을 타격할 수 있으며 따라서 전기에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있다.Piezoelectric harvesting system according to an embodiment of the present invention, the propeller having a rotating by water flow (water flow), the rotating portion to rotate as the propeller rotates; A fixing part of a bearing structure fixedly disposed on one side of the rotating part; And a piezoelectric module mounted on a fixing frame for fixing the fixing part, and hit by the rotating part to generate electrical energy when the rotating part is rotated. By such a configuration, the fixing part using a bearing structure It is possible to rotate the rotating part relative to, the striking member mounted to the rotating part can hit the piezoelectric module, thereby improving the electrical energy generation efficiency.

여기서, 상기 회전부는 등간격으로 배치된 복수 개의 타격부재를 구비하며, 상기 고정부에 대한 상기 회전부의 회전 시 상기 복수 개의 타격부재가 상기 압전체 모듈을 타격할 수 있다.Here, the rotating part may include a plurality of striking members disposed at equal intervals, and the plurality of striking members may strike the piezoelectric module when the rotating part is rotated with respect to the fixing part.

상기 고정부는 초전도 벌크(HTS Bulk)를 구비하고, 상기 회전부는 상기 초전도 벌크와 상호 작용하는 영구자석을 구비함으로써 초전도 베어링 구조를 가질 수 있다.The fixing part may have a superconducting bulk, and the rotating part may have a superconducting bearing structure by providing a permanent magnet that interacts with the superconducting bulk.

상기 고정부 내에는 액체 질소가 수용되며, 상기 초전도 벌크는 상기 액체 질소 내에 배치될 수 있다.Liquid nitrogen may be contained in the fixing portion, and the superconducting bulk may be disposed in the liquid nitrogen.

상기 고정부는 볼 베어링(ball bearing)을 구비하고, 상기 회전부는 상기 볼 베어링에 회전 가능하게 결합되는 베어링 샤프트를 구비할 수 있다.The fixing part may have a ball bearing, and the rotating part may have a bearing shaft rotatably coupled to the ball bearing.

상기 압전체 모듈은, 상기 고정 프레임에 일측이 고정되는 스테인리스 스틸 재질의 스틸 플레이트; 및 상기 스틸 플레이트에 부착되며, 상기 스틸 플레이트로부터 진동이 전달되어 전기에너지를 생성하는 압전 플레이트를 포함할 수 있다.The piezoelectric module may include: a steel plate made of stainless steel having one side fixed to the fixing frame; And a piezoelectric plate attached to the steel plate and configured to transmit vibration from the steel plate to generate electrical energy.

상기 압전 플레이트는 세라믹소재, PZT, PLZT, NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계를 포함하는 무연(Lead-free) 압전소재, PVDF, P(VDF-TrFE), 압전현상을 나타내는 폴리머, 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 중 적어도 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다.The piezoelectric plate is a lead-free piezoelectric material including a ceramic material, PZT, PLZT, NKN, BZT-BCT, BNT, BSNN, BNBN, PVDF, P (VDF-TrFE), piezoelectric phenomenon It may be formed of at least one of a polymer represented, a hybrid of a ceramic and a polymer material.

상기 프로펠러는 흐르는 수류 또는 바람에 의해 회전 가능하도록 상기 회전부에 결합될 수 있다.The propeller may be coupled to the rotating unit to be rotatable by flowing water flow or wind.

상기 프로펠러는 상기 회전부에 대해 착탈 가능하여 상기 프로펠러에 가해지는 외력의 종류에 따라 상기 회전부의 일측 또는 타측에 선택적으로 결합될 수 있다.
The propeller may be detachably attached to the rotating part and may be selectively coupled to one side or the other side of the rotating part according to a kind of external force applied to the propeller.

본 발명의 실시예에 따르면, 수류 또는 바람을 포함하는 다양한 외력을 받아 효율적인 발전을 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to efficiently generate power by receiving various external forces including water flow or wind.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 베어링 구조 또는 볼 베어링 구조와 같은 베어링 구조를 이용하여 고정부에 대한 회전부의 회전이 가능하여, 회전부에 장착된 타격부재로 압전체 모듈을 타격할 수 있으며 따라서 전기에너지 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
In addition, according to an embodiment of the present invention, by using a bearing structure such as a superconducting bearing structure or a ball bearing structure is possible to rotate the rotating portion relative to the fixed portion, it is possible to strike the piezoelectric module with the striking member mounted on the rotating portion and thus The electrical energy generation efficiency can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템이 수조에 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 압전체 모듈의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 7은 수직 날개 변화에 따른 볼 베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전력(rms value) 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8은 수직 날개 변화에 따른 볼 베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전압(average value) 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8는 LED쌍을 이용한 임피던스 매칭 : LED쌍 갯수에 따른 볼 베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전압(rms value) 차이를 나타낸 그래프이다.
도 10은 무부하 상태에서 40mm 날개일 때 초전도 베어링 구조의 시스템을 적용하는 경우 압전체 모듈의 출력전압 그래프이다.
도 11은 무부하 상태에서 40mm 날개일 때 볼 베어링 구조의 시스템을 이용하는 경우 압전체 모듈의 출력전압 그래프이다.
1 is a view showing a state in which a piezoelectric harvesting system according to an embodiment of the present invention is installed in a water tank.
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the piezoelectric harvesting system of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view of Fig.
4 is a perspective view of the piezoelectric module shown in FIG. 2.
5 is a view showing a schematic configuration of a piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention.
6 is a schematic perspective view of a piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the difference in output power (rms value) of the system of the ball bearing structure and the system of the superconducting bearing structure according to the vertical blade change.
FIG. 8 is a graph illustrating a difference between output values of a ball bearing structure system and a superconducting bearing structure system according to vertical vane changes.
FIG. 8 is a graph illustrating impedance matching using LED pairs: output voltage (rms value) difference between the system of the ball bearing structure and the system of the superconducting bearing structure according to the number of LED pairs.
10 is a graph of the output voltage of the piezoelectric module when the system of the superconducting bearing structure is applied when the blade is 40 mm in the no load state.
11 is a graph of the output voltage of the piezoelectric module in the case of using the ball bearing structure system when the blade is 40mm in the no load state.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. Hereinafter, configurations and applications according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is one of several aspects of the patentable invention and the following description forms part of the detailed description of the invention.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail for the sake of clarity and conciseness.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템이 수조에 설치된 상태를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 압전체 모듈의 사시도이다.1 is a view illustrating a state in which a piezoelectric harvesting system according to an embodiment of the present invention is installed in a water tank, FIG. 2 is a view illustrating a schematic configuration of the piezoelectric harvesting system of FIG. 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view, and FIG. 4 is a perspective view of the piezoelectric module shown in FIG. 2.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(100)은, 수류(water flow)를 이용하여 전기에너지를 생성하는 시스템으로서, 수류(water flow)에 의해 회전하는 프로펠러(111)를 구비하며 프로펠러(111)의 회전 시 같이 회전하는 회전부(110)와, 회전부(110)의 상측에 고정되게 배치되는 베어링 구조의 고정부(120)와, 고정부(120)를 고정시키는 고정 프레임(105)에 장착되어 회전부(110)의 회전 시 회전부(110)에 의해 타격되어 전기에너지를 생성하는 압전체 모듈(130)을 포함할 수 있다. 1 to 3, the piezoelectric harvesting system 100 according to an embodiment of the present invention is a system for generating electrical energy using water flow, and rotates by water flow. It is provided with a propeller 111 to rotate the rotating portion 110 and the same as the rotation of the propeller 111, the fixed portion 120 and the fixed portion 120 of the bearing structure is fixed to the upper side of the rotating portion 110, 120 It may include a piezoelectric module 130 is mounted to the fixing frame 105 for fixing the to hit by the rotating unit 110 during the rotation of the rotating unit 110 to generate electrical energy.

이러한 구성에 의해서, 수류의 에너지로 압전 하베스팅 시스템(100)의 밑부분에 달려있는 프로펠러(111)를 회전시키면 회전부(110)에 장착된 타격부재(115)가 압전체 모듈(130)을 타격함으로써 전기에너지를 생성할 수 있다. 이 때 회전으로 인한 마찰을 줄이기 위해 베어링을 사용하는데, 베어링은 초전도체 베어링 또는 볼 베어링이 적용될 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.By such a configuration, when the propeller 111, which is located at the bottom of the piezoelectric harvesting system 100, is rotated with the energy of the water flow, the striking member 115 mounted on the rotating unit 110 hits the piezoelectric module 130. It can generate electrical energy. In this case, a bearing is used to reduce friction due to rotation. The bearing may be a superconductor bearing or a ball bearing. This will be described later.

이 때, 압전 하베스팅 시스템(100)의 최적화를 위하여 프로펠러(111)의 수직날개 길이를 변화시켜 테스트함으로써 40mm의 날개 길이일 때 최적화됨을 알 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다. 부연 설명하면, 압전 하베스팅 시스템(100)에서 임피던스 매칭은 각각의 최대 출력 전력의 상태를 위해 LED쌍을 이용하거나 혹은 가변 저항기을 이용할 수 있으며, 공진주파수를 찾기 위하여 압전체 모듈(130)의 두께와 길이를 조절할 수 있다.At this time, it can be seen that the optimization of the wing length of 40mm by changing the length of the vertical wing of the propeller 111 for the optimization of the piezoelectric harvesting system 100. This will be described later. In detail, the impedance matching in the piezoelectric harvesting system 100 may use a pair of LEDs or a variable resistor for each state of the maximum output power, and the thickness and length of the piezoelectric module 130 to find the resonance frequency. Can be adjusted.

도 1을 참조하면, 내경 길이 1000mm x 폭 700mm x 높이 600mm 인 직육면체 구조의 수조(101) 안에 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(100)을 설치한 후 실험이 진행될 수 있다. 펌프(최대출력: 330 l/min)를 설치하여 파이프관을 통해 바닥으로부터 높이 300mm, 직경 50mm의 입구(103, inlet)로 물이 들어와서, 길이 1000mm의 반대편 벽면에 바닥으로부터 높이 250mm, 직경 50mm인 출고(outlet)로 물이 나가는 순환 구조를 적용시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, an experiment may be performed after installing a piezoelectric harvesting system 100 according to an embodiment of the present invention in a tubular structure 101 having an inner diameter of 1000 mm x width 700 mm x height 600 mm. A pump (maximum output: 330 l / min) was installed to allow water to enter the inlet (300, 300 mm high and 50 mm in diameter) from the floor through a pipe, and 250 mm high and 50 mm in diameter on the opposite wall of 1000 mm length. It is possible to apply a circulation structure in which water exits to the outlet.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(100)은, 수류(water flow)에 의해 발생되는 프로펠러(111)의 저항으로 인해 회전부(110)가 고정부(120)에 대해 상대 회전함에 따라 회전부(110)에 장착된 타격부재(115)가 고정 프레임(105)에 장착된 압전체 모듈(130)을 타격함으로써 전기에너지를 생성할 수 있다.As shown in FIG. 2, the piezoelectric harvesting system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention has a rotating part 110 that is fixed due to the resistance of the propeller 111 generated by water flow. As the relative rotation with respect to 120, the striking member 115 mounted on the rotating unit 110 may generate electric energy by striking the piezoelectric module 130 mounted on the fixed frame 105.

이 때 회전으로 인한 마찰을 줄이기 위해 베어링을 사용하는데 본 실시예에서는 초전도체 베어링 구조가 적용될 수 있다.In this case, a bearing is used to reduce friction due to rotation. In this embodiment, a superconductor bearing structure may be applied.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 고정부(120)는 수조(101)의 상부에 고정 설치된 고정 프레임(105)에 고정될 수 있다. 이 고정부(120)는 초전도 벌크(121, HTS Bulk), 액체 질소(123)를 포함하며, 액체 질소(123) 내에 초전도 벌크(121)가 수용되는 용기의 형태일 수 있다. 1 to 3, the fixing part 120 of the present embodiment may be fixed to the fixing frame 105 fixedly installed on the upper portion of the water tank 101. The fixing part 120 may include a superconducting bulk 121 (HTS Bulk) and liquid nitrogen 123, and may be in the form of a container in which the superconducting bulk 121 is accommodated in the liquid nitrogen 123.

이러한 고정부(120)의 하단 플레이트(124)의 두께는 예를 들면2mm로 제작될 수 있으며, 따라서 회전부(110)에 구비되는 영구자석(112)과 초전도 벌크(121) 사이의 거리를 보다 가깝게 할 수 있다. The thickness of the bottom plate 124 of the fixing part 120 may be made of, for example, 2mm, thus making the distance between the permanent magnet 112 and the superconducting bulk 121 provided in the rotating part 110 closer. can do.

회전부(110)에 구비되는 영구자석(112, permanent magnet)은 도넛 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라 프로펠러(111)의 회전 시 초전도 벌크(121)와 영구자석(112)의 상호 작용에 의해, 회전부(110)는 고정부(120)에 대해 상대 회전할 수 있다.The permanent magnet 112 provided in the rotating unit 110 may have a donut shape, and thus, due to the interaction of the superconducting bulk 121 and the permanent magnet 112 when the propeller 111 rotates, the rotating unit 110 may rotate. 110 may rotate relative to the fixing part 120.

또한, 회전부(110)의 상단부에는 그 둘레를 따라 3개의 타격부재(115)가 구비됨으로써, 회전부(110)의 회전 시 압전체 모듈(130)을 타격할 수 있다. 이러한 회전부(110)는 타격부재(115)들의 위치가 회전부(110)의 중심으로부터 같은 거리에 있도록 원통 형상을 가질 수 있다. 한편, 프로펠러(111)가 형성된 회전부(110)의 하단 부분은 착탈 가능한 구조를 갖는다. 따라서 본 실시예의 회전부(110)의 하단 부분을 분리하여 후술한 다른 실시예의 회전부에 적용시킬 수도 있다.In addition, three striking members 115 are provided at the upper end of the rotating part 110 along the circumference thereof, such that the piezoelectric module 130 may be hit when the rotating part 110 is rotated. The rotating part 110 may have a cylindrical shape such that the positions of the striking members 115 are at the same distance from the center of the rotating part 110. On the other hand, the lower end portion of the rotating part 110, the propeller 111 is formed has a removable structure. Therefore, the lower part of the rotating part 110 of the present embodiment may be removed and applied to the rotating part of another embodiment described later.

한편, 도 4를 참조하면, 본 실시예의 압전체 모듈(130)은 두 가지의 플레이트가 결합된 구조를 갖는다. 즉, 압전체 모듈(130)은, 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 마련되고 고정 프레임(105)에 일측이 고정 결합되는 스틸 플레이트(131)와, 스틸 플레이트(131)에 결합되어 진동을 전기에너지를 변환하는 압전 플레이트(135)를 구비한다. Meanwhile, referring to FIG. 4, the piezoelectric module 130 of this embodiment has a structure in which two plates are combined. That is, the piezoelectric module 130 is provided with a stainless steel material and is coupled to a steel plate 131 on which one side is fixedly coupled to the fixed frame 105 and the steel plate 131 to generate vibrations of electrical energy. A piezoelectric plate 135 to be converted is provided.

여기서, 압전 플레이트(135)는 진동하고 휘면서 전기를 발생하는 부분이다. 수류에 의해 회전부(110)가 회전하고, 회전부(110)가 회전함으로 타격부재(115)가 스틸 플레이트(131)를 타격하면, 그것에 의해 스틸 플레이트(131)가 휘면서 진동할 수 있다.Here, the piezoelectric plate 135 is a part which generates electricity while vibrating and bending. When the rotating unit 110 rotates due to the water flow, and the striking member 115 strikes the steel plate 131 by rotating the rotating unit 110, the steel plate 131 may be bent and vibrated thereby.

스틸 플레이트(131)의 휨과 진동에 의해 압전 플레이트(135) 역시 동일하게 휘면서 진동하며, 따라서 전기에너지를 생성할 수 있도록 한다.Due to the bending and vibration of the steel plate 131, the piezoelectric plate 135 is also bent and vibrates in the same manner, thereby enabling to generate electrical energy.

부연 설명하면, 압전 플레이트(135)는 세라믹소재, PZT, PLZT, NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계를 포함하는 무연(Lead-free) 압전소재, PVDF, P(VDF-TrFE), 압전현상을 나타내는 폴리머, 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 중 적어도 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되지는 않는다.In detail, the piezoelectric plate 135 is a lead-free piezoelectric material including a ceramic material, PZT, PLZT, NKN-based, BZT-BCT-based, BNT-based, BSNN, BNBN-based, PVDF, and P (VDF- TrFE), a piezoelectric polymer, and a hybrid of ceramic and polymer material. However, the present invention is not limited thereto.

한편, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하되 전술한 일 실시의 압전 하베스팅 시스템과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.Meanwhile, hereinafter, the piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention will be described, but a description thereof will be omitted for parts substantially the same as the piezoelectric harvesting system of the above-described embodiment.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.5 is a view showing a schematic configuration of a piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템(200)은, 고정부(220)가 수조(101, 도 1 참조)의 상부에 고정될 수 있으며, 예를 들면 지름 10mm의 베어링 샤프트(212)가 볼 베어링 구조의 고정부(220)에 의해 고정되는 구조를 가질 수 있다. As shown in this, in the piezoelectric harvesting system 200 according to another embodiment of the present invention, the fixing part 220 may be fixed to the upper portion of the water tank 101 (see FIG. 1), for example, a diameter of 10 mm. The bearing shaft 212 may have a structure that is fixed by the fixing portion 220 of the ball bearing structure.

여기서, 도시하지는 않았지만, 볼 베어링(미도시)은 고정부(220)의 내부에 고정되어 있고, 회전부(210)는 수조의 내부에서 베어링 샤프트(212)에 의해 고정부(220)와 연결될 수 있다. Here, although not shown, the ball bearing (not shown) is fixed inside the fixing part 220, the rotating part 210 may be connected to the fixing part 220 by the bearing shaft 212 in the tank. .

회전부(210)의 상단부에는, 전술한 일 실시예와 마찬가지로, 타격부재(215) 3개가 둘레 방향을 따라 120도 각도로 배치되며, 이 때 타격부재(215)의 회전 반경은 105mm일 수 있다. 회전부(210)의 하단부에는 총 4개의 프로펠러(211)가 결합되는데, 4개의 프로펠러(211)의 날개가 서로 90도 각도로 고정되어 있으며, 날개의 폭은 65mm일 수 있다. 이것은 입구에서 나오는 수류의 지름인 50mm보다 조금 더 긴 길이이다. 다만, 타격부재(215)의 배치 구조, 프로펠러(211)의 개수 및 길이 등이 전술한 내용에 한정되는 것은 아니다.At the upper end of the rotating unit 210, as in the above-described embodiment, three striking members 215 are disposed at an angle of 120 degrees along the circumferential direction, wherein the rotation radius of the striking member 215 may be 105 mm. A total of four propellers 211 are coupled to the lower end of the rotating part 210, and the wings of the four propellers 211 are fixed at an angle of 90 degrees to each other, and the width of the wings may be 65 mm. This is a little longer than 50mm, the diameter of the water stream exiting the inlet. However, the arrangement structure of the striking member 215, the number and length of the propellers 211, etc. are not limited to the above description.

이러한 구성에 의해서, 프로펠러(211)의 회전에 의한 회전부(210)의 회전 시 압전체 모듈(130, 도 1 참조)을 타격할 수 있어 전기에너지를 생성할 수 있다.With this configuration, the piezoelectric module 130 (see FIG. 1) may be hit when the rotating unit 210 rotates due to the rotation of the propeller 211, thereby generating electrical energy.

한편, 이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하되 전술한 실시예들의 시스템들과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.Meanwhile, hereinafter, the piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention will be described, but the description thereof will be omitted for parts substantially the same as those of the above-described embodiments.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.6 is a schematic perspective view of a piezoelectric harvesting system according to another embodiment of the present invention.

이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(300)은 볼 베어링 구조를 갖되, 프로펠러(311)를 회전시키는 외력이 흐르는 수류가 아닌 풍력이 적용될 수 있다. 따라서, 전술한 실시예들의 프로펠러(111, 211)는 회전부(110, 210)의 하부에 배치된 반면에 본 실시예의 프로펠러(311)는 베어링 샤프트(312)의 상단부에 위치하여 가해지는 풍력에 따라 회전부(310)는 고정부(320)에 대해 회전할 수 있다.As shown in the drawing, the piezoelectric harvesting system 300 of the present embodiment has a ball bearing structure, but wind power may be applied instead of the current flowing through the external force that rotates the propeller 311. Accordingly, the propellers 111 and 211 of the above-described embodiments are disposed below the rotating parts 110 and 210, while the propellers 311 of the present embodiment are located at the upper end of the bearing shaft 312 according to the wind force applied thereto. The rotating part 310 may rotate with respect to the fixing part 320.

따라서, 회전부(310)의 타격부재(315)는 압전체 모듈(미도시)을 타격할 수 있으며 이로 인해 전기에너지를 생성할 수 있다.Therefore, the striking member 315 of the rotating unit 310 may strike the piezoelectric module (not shown), thereby generating electrical energy.

여기서, 프로펠러(311)가 구비된 베어링 샤프트(312)의 일부분(312a)은 다른 부분에 대해 착탈 가능한 구조를 가질 수 있으며, 따라서 가해지는 외력의 종류, 예를 들면 수류 또는 풍력에 따라 프로펠러(311)의 위치를 선택적으로 조절할 수 있다.Here, the portion 312a of the bearing shaft 312 with the propeller 311 may have a detachable structure with respect to the other portion, and thus the propeller 311 according to the type of external force applied, for example, water flow or wind power. You can selectively adjust the position of).

이처럼, 본 실시예의 경우, 풍력을 이용하여 프로펠러(311)를 회전시킬 수 있고 이로 인해 회전부(310)를 회전시켜 압전체 모듈을 타격할 수 있어 전기에너지를 생성할 수 있다.As such, in the present embodiment, the propeller 311 may be rotated using wind power, and thus, the rotating part 310 may be rotated to strike the piezoelectric module, thereby generating electrical energy.

한편, 이하에서는 그래프를 통하여 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하기로 한다.On the other hand, the piezoelectric harvesting system according to an embodiment and another embodiment of the present invention through the graph will be described.

도 7은 수직 날개 변화에 따른 볼베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전력(rms value) 차이를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the difference in output power (rms value) of the system of the ball bearing structure and the system of the superconducting bearing structure according to the change of the vertical blades.

이에 도시된 것처럼, 프로펠러(111, 211)의 날개의 수직길이가 40mm일 때 최대 출력값을 얻었으며, 이때 초전도 베어링 구조를 갖는 시스템(100)의 출력값은 1.05mW, 볼베어링 구조를 갖는 시스템(200)의 출력값은 0.83mW 이다. 볼베어링 구조 및 초전도 베어링 구조의 시스템(100, 200) 모두 30mm에서 60mm로 날개 길이의 변화에 비슷한 경향을 가지고 있지만, 초전도 베어링 구조의 시스템(100)을 이용할 때가 0.13~0.31mW 출력전력의 rms값이 높았다. 30mm를 사용할 때 0.13mW (17.1%)로 출력전력 차이가 최소였으며, 50mm를 사용할 때 0.31mW (48.4%)로 출력전력 차이가 최대로 나타났다.As shown here, the maximum output value was obtained when the vertical length of the blades of the propellers 111 and 211 was 40 mm, wherein the output value of the system 100 having a superconducting bearing structure is 1.05 mW and the system 200 having a ball bearing structure. The output value of is 0.83mW. Both ball bearing and superconducting bearing systems (100, 200) have similar trends in blade length changes from 30 mm to 60 mm, but the rms value of 0.13-0.31 mW output power is high when using the superconducting bearing system (100). High. The difference in output power was 0.13mW (17.1%) when using 30mm, and the difference in output power was 0.31mW (48.4%) when using 50mm.

도 8은 수직 날개 변화에 따른 볼베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전압(average value) 차이를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the difference in the output voltage (average value) of the system of the ball bearing structure and the superconducting bearing structure according to the vertical blade change.

이에 도시된 바와 같이, 프로펠러(111, 211)의 날개 길이가 40 mm일 때 최고 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 다만, 초전도 베어링 구조의 시스템(100)을 이용하였을 때 3.54~7.04 V 출력전압이 높았다. 프로펠러(111, 211)의 날개 길이가 30 mm일 때 3.54 V (20.9%)로 출력전력 차이가 최소였으며, 프로펠러(111, 211)의 날개 길이가 50 mm일 때 7.04 V (49.4%)로 출력전력 차이가 최대로 나타났다.As shown in the figure, it can be seen that the maximum voltage can be obtained when the blade length of the propellers 111 and 211 is 40 mm. However, when the system 100 of the superconducting bearing structure was used, the output voltage of 3.54-7.04 V was high. The difference in output power was 3.54 V (20.9%) when the blade length of the propellers 111 and 211 was 30 mm, and 7.04 V (49.4%) when the blade length of the propellers 111 and 211 was 50 mm. The power difference was the largest.

도 9는 LED쌍을 이용한 임피던스 매칭 : LED쌍 갯수에 따른 볼 베어링 구조의 시스템과 초전도 베어링 구조의 시스템의 출력전압(rms value) 차이를 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating impedance matching using LED pairs: a difference in output voltages (rms values) of a system having a ball bearing structure and a system having a superconducting bearing structure according to the number of LED pairs.

이 그래프를 생성하는 실험은 볼 베어링 구조의 시스템(200)과 초전도 베어링 구조의 시스템(100)에서 최대 출력값을 나타낸 40mm의 날개 길이로 실행되었다. 전체의 실험에서 볼 베어링보다 초전도 베어링를 이용한 실험이 더 높은 출력전력을 나타내었다. 초전도 베어링을 사용하면서 최대 출력은 LED 14개 쌍에서 4.95mW를 얻었다.Experiments to generate this graph were performed with blade lengths of 40 mm representing maximum output values in the system 200 of the ball bearing structure and the system 100 of the superconducting bearing structure. In the whole experiment, the experiment using superconducting bearing showed higher output power than the ball bearing. Using superconducting bearings, the maximum output was 4.95mW in 14 LED pairs.

도 10은 무부하 상태에서 40mm 날개일 때 초전도 베어링 구조의 시스템을 적용하는 경우 압전체 모듈의 출력전압 그래프이고, 도 11은 무부하 상태에서 40mm 날개일 때 볼 베어링 구조의 시스템을 이용하는 경우 압전체 모듈의 출력전압 그래프이다.10 is a graph showing the output voltage of the piezoelectric module when the system of the superconducting bearing structure is applied when the blade is 40mm in the no-load state, and FIG. 11 is the output voltage of the piezoelectric module when using the ball bearing structure system when the blade is 40mm in the no-load state. It is a graph.

이들 도면을 통해, 초전도 베어링 구조를 갖는 시스템(100)의 최대 출력값은 그래프에서 포지티브(positive) 최대전압은 약 55~75 V 이고, 네거티브(negative) 최대전압은 약 44~53 V 임을 알 수 있다. 이 그래프는 사인파형의 그래프와 비슷하다. From these figures, it can be seen that the maximum output value of the system 100 having the superconducting bearing structure is about 55 to 75 V in the graph, and about 44 to 53 V in the negative maximum voltage. . This graph is similar to the sinusoidal graph.

한편, 볼 베어링 구조를 갖는 시스템(200)의 최대 출력 전력값은 LED쌍 8개를 사용하였을 때 얻을 수 있다. 여기서, 포지티브(positive) 최대 전압은 약 29.5~50 V 이고, 네거티브(negative) 최대 전압은 약 34~50 V이다. 이 그래프도 역시 사인파형의 그래프와 유사하다.On the other hand, the maximum output power value of the system 200 having a ball bearing structure can be obtained when eight LED pairs are used. Here, the positive maximum voltage is about 29.5-50V, and the negative maximum voltage is about 34-50V. This graph is also similar to the sinusoidal graph.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

100 : 압전 하베스팅 시스템
110 : 회전부 111 : 프로펠러
115 : 타격부재 120 : 고정부
130 : 압전체 모듈 131 : 스틸 플레이트
135 : 압전 플레이트100: Piezoelectric Harvesting System
110: rotating portion 111: propeller
115: striking member 120: fixed part
130: piezoelectric module 131: steel plate
135: piezoelectric plate

Claims (9)

유체의 흐름에 의해 회전하는 프로펠러를 구비하며, 상기 프로펠러의 회전 시 같이 회전하는 회전부;
상기 회전부의 일측에 고정되게 배치되는 베어링(bearing) 구조의 고정부; 및
상기 고정부를 고정시키는 고정 프레임에 장착되며, 상기 회전부의 회전 시 상기 회전부에 의해 타격되어 전기에너지를 생성하는 압전체 모듈;
을 포함하는, 압전 하베스팅 시스템.
A rotating part having a propeller rotating by a flow of a fluid, and rotating together with the propeller;
A fixing part of a bearing structure fixedly disposed on one side of the rotating part; And
A piezoelectric module mounted to a fixing frame for fixing the fixing part, the piezoelectric module generating electric energy by being hit by the rotating part when the rotating part is rotated;
Including, piezoelectric harvesting system.
제1항에 있어서,
상기 회전부는 등간격으로 배치된 복수 개의 타격부재를 구비하며, 상기 고정부에 대한 상기 회전부의 회전 시 상기 복수 개의 타격부재가 상기 압전체 모듈을 타격하는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
The rotating part includes a plurality of striking members arranged at equal intervals, the plurality of striking members hit the piezoelectric module during the rotation of the rotating unit with respect to the fixed portion, the piezoelectric harvesting system.
제1항에 있어서,
상기 고정부는 초전도 벌크(HTS Bulk)를 구비하고, 상기 회전부는 상기 초전도 벌크와 상호 작용하는 영구자석을 구비함으로써 초전도 베어링 구조를 갖는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
And the fixed portion has a superconducting bulk and the rotating portion has a superconducting bearing structure by having a permanent magnet interacting with the superconducting bulk.
제3항에 있어서,
상기 고정부 내에는 액체 질소가 수용되며, 상기 초전도 벌크는 상기 액체 질소 내에 배치되는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 3,
Liquid nitrogen is contained within the fixture and the superconducting bulk is disposed within the liquid nitrogen.
제1항에 있어서,
상기 고정부는 볼 베어링(ball bearing)을 구비하고, 상기 회전부는 상기 볼 베어링에 회전 가능하게 결합되는 베어링 샤프트를 구비하는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
And the fixed portion has a ball bearing, and the rotating portion has a bearing shaft rotatably coupled to the ball bearing.
제1항에 있어서,
상기 압전체 모듈은,
상기 고정 프레임에 일측이 고정되는 스테인리스 스틸 재질의 스틸 플레이트; 및
상기 스틸 플레이트에 부착되며, 상기 스틸 플레이트로부터 진동이 전달되어 전기에너지를 생성하는 압전 플레이트를 포함하는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
The piezoelectric module,
A steel plate made of stainless steel having one side fixed to the fixing frame; And
A piezoelectric harvesting system attached to the steel plate, the piezoelectric plate for transmitting vibrations from the steel plate to generate electrical energy.
제1항에 있어서,
상기 압전 플레이트는 세라믹소재, PZT, PLZT, NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계를 포함하는 무연(Lead-free) 압전소재, PVDF, P(VDF-TrFE), 압전현상을 나타내는 폴리머, 세라믹과 폴리머 소재의 하이브리드 중 적어도 어느 하나의 재료로 형성되는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
The piezoelectric plate is a lead-free piezoelectric material including a ceramic material, PZT, PLZT, NKN, BZT-BCT, BNT, BSNN, and BNBN, PVDF, P (VDF-TrFE), and piezoelectric phenomenon. A piezoelectric harvesting system, formed of at least one of a polymer, a hybrid of a polymer and a ceramic material.
제1항에 있어서,
상기 프로펠러는 흐르는 수류 또는 바람에 의해 회전 가능하도록 상기 회전부에 결합되는, 압전 하베스팅 시스템.
The method of claim 1,
And the propeller is coupled to the rotating part so as to be rotatable by flowing water flow or wind.
제8항에 있어서,
상기 프로펠러는 상기 회전부에 대해 착탈 가능하여 상기 프로펠러에 가해지는 외력의 종류에 따라 상기 회전부의 일측 또는 타측에 선택적으로 결합되는, 압전 하베스팅 시스템. 9. The method of claim 8,
The propeller is detachable with respect to the rotating part is selectively coupled to one side or the other side of the rotating part according to the type of external force applied to the propeller, piezoelectric harvesting system.
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