KR20130105240A - 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템 - Google Patents

반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체; 압전체가 적어도 일면에 부착되는 고정부; 고정부의 일측을 지지하는 지지부; 및 고정부에 외력이 가해져 고정부가 변형된 후 복원될 때 고정부에 반발력을 제공함으로써 압전체가 전기에너지를 생성하도록 하는 반발력 제공부;를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 압전체가 부착된 고정부가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체의 변형에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있다.

Description

반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템{PIEZOELECTRIC HARVESTING SYSTEM USING REPULSIVE POWER}
반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다. 보다 상세하게는, 압전체가 부착된 고정부가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체에 전달되는 충격에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템이 개시된다.
최근 자연의 에너지 사용 비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전 시스템의 용량도 점점 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 발전 시스템이 고려되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 초전도 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생 에너지의 발전 효율 등을 고려할 때, 압전 발전 시스템의 개발이 진행 중이다.
한편, 최근 신재생 에너지 중에서도 비교적 미세한 에너지에서 재생 에너지로 사용할 수 있는 압전 에너지 하베스팅이 연구되고, 또한 산업화에 많은 관심이 모아지고 있다. 특히, 압전 하베스팅 시스템의 전기에너지 생성 효율 향상에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 압전체가 부착된 고정부가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체의 변형에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 반발력 제공부의 반발력을 이용하여 압전체가 장착된 고정부에 추가적인 충격이 발생되기 때문에 타격 횟수를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 더 높은 발전량을 얻을 수 있는 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체; 상기 압전체가 적어도 일면에 부착되는 고정부; 상기 고정부의 일측을 지지하는 지지부; 및 상기 고정부에 외력이 가해져 상기 고정부가 변형된 후 복원될 때 상기 고정부에 반발력을 제공함으로써 상기 압전체가 전기에너지를 생성하도록 하는 반발력 제공부;를 포함할 수 있으며, 이를 통해, 압전체가 부착된 고정부가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체의 변형에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 반발력 제공부는 상기 압전체가 미부착된 상기 고정부의 타측 영역과 접촉되도록 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정부에 외력이 가해지지 않을 시의 상기 고정부의 타측 영역의 높이와 상기 반발력 제공부의 일단부의 높이는 상호 대응될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 반발력 제공부는 한 쌍 마련되어 상기 고정부의 대칭되는 지점에 대해 반발력을 제공할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 반발력 제공부의 수평 방향으로의 위치를 조절하기 위한 결합 플레이트를 더 포함하며, 상기 결합 플레이트에는 상기 반발력 제공부의 하단이 부분적으로 인입되며 상기 반발력 제공부를 일방향 및 상기 일방향의 수직 방향으로 이동시키기 위한 십자(十字) 형상의 이동홈이 형성될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 반발력 제공부는, 높이 방향으로 마련되는 고정대; 및 높이 방향으로 위치 조절 가능하도록 상기 고정대에 장착되며, 상기 고정부에 가해지는 반발력의 정도를 조절하는 이동부재를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정부에 하방으로 외력이 가해지는 경우 상기 압전체에 인장력이 발생될 수 있도록 상기 압전체는 상기 고정부의 상면에 장착될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 고정부에 하방으로 외력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 발생될 수 있도록 상기 압전체는 상기 고정부의 하면에 장착될 수도 있다.
다른 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체, 상기 압전체가 부착된 고정부, 상기 고정부의 일측을 지지하는 지지부 및 외력에 의해 변형된 후 복원되는 상기 고정부를 타격하는 반발력 제공부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압전 하베스팅 시스템은 유체의 흐름을 이용하여 상기 외력을 제공하는 타격부재를 더 포함할 수 있고, 상기 반발력 제공부는 고정된 상태로 상기 복원되는 고정부를 타격할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전체가 부착된 고정부가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체의 변형에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 반발력 제공부의 반발력을 이용하여 압전체가 장착된 고정부에 추가적인 충격이 발생되기 때문에 타격 횟수를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 더 높은 발전량을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에서 반발력 제공부의 이동 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 사시도이다.
도 7은 도 6은 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템을 도시한 도면이다.
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.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템(100)은, 압전 물질로 이루어진 압전체(105)와, 압전체(105)가 장착되는 고정부(101)와, 고정부(101)를 외팔보 타입으로 지지하는 지지부(102)와, 압전체(105)에 반발력에 제공하는 반발력 제공부(103)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 압전체(105)는 사각 플레이트 타입으로 마련되는 고정부(101)의 상면에 부착되어 타격 등에 의해 고정부(101)에 인장력이 가해지는 경우 압전체(105)에도 인장력이 가해지고, 다시 고정부(101)가 복원되는 과정에서 압축력이 가해지는 경우 압전체(105)에도 압축력이 가해짐으로써 전기 에너지를 생성할 수 있다. 고정부(101)는 외력에 의해 탄성적으로 변형되고 원상태로 복원될 수 있다. 압전 하베스팅 시스템(100)은 유체의 흐름을 이용하여 외력을 제공할 수 있는 타격부재(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 타격부재가 고정부(101)를 타격함으로써, 압전체(105)의 변형을 유발할 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 압전체(105)가 고정부(101)의 상면에 장착되는 경우에 대해 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 압전체(105)는 고정부(101)의 하면에 장착될 수 있고, 또는 상하면 모두에 장착될 수 있음은 물론이다.
부연하면, 압전체(105)는 기본적으로 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어나 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전체(105)의 압전소자 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
다만, 압전체(105)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다. 한편, 압전체(105)가 장착된 고정부(101)에 1차적인 충격을 가하여 전기에너지를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 고정부(101)가 변형된 후 복원되면서 반발력 제공부(103)에 의해 반발력을 받음으로써 2차적인 외력이 가해져 추가적으로 전기에너지를 생성할 수 있다.
즉, 기존의 압전 하베스팅 시스템은 변형된 압전체가 원상태로 되돌아오려는 힘(반발력)을 사용하지 못하고 버렸다면, 본 실시예의 시스템(100)에서는 반발력을 이용하여 압전체(105)가 장착된 고정부(101)에 추가적인 충격을 가할 수 있는 것이다.
수확되는 에너지원에 의한 충격뿐만 아니라 반발력을 이용한 타격이 추가적으로 가해지므로 단위시간당 충격 횟수가 많아지고 이에 따라 발전량 또한 증가하게 된다.
또한 반발력에 의한 충격을 얻기 위해 설치된 구조물, 즉 반발력 제공부(103)는 외력에 의해 움직이지 않도록 지면 등에 고정되며, 반발력 제공부(103)의 일단부가 고정부(101)의 일 영역, 즉 압전체(105)가 미부착된 고정부(101)의 타측 영역에 부분적으로 닿게 하여 단위시간당 충격량을 더 크게 할 수 있다. 이로 인해, 1차적인 타격에 의한 순간 발전량보다 더 높은 발전량을 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(100)은, 고정부(101)의 동력원(미도시)에 의한 1차적인 충격 이후 동력원에 의한 다음의 충격이 오기 전에 반발력 제공부(103)에 의해 추가적인 충격을 고정부(101)에 가할 수 있다. 따라서 단위시간당 충격 횟수가 커지므로 기존의 시스템보다 발전량을 증가시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 1차적인 충격을 가하기 위해 고정부(101)를 타격할 때, 한쌍으로 마련되는 반발력 제공부(103)의 사이에 타격을 가할 수 있도록 시스템(100)이 마련된다.
또한, 힘이 골고루 고정부(101)에 전달될 수 있도록, 반발력 제공부(103)의 양 옆의 간격인 A와 B가 똑같도록 반발력 제공부(103)의 위치를 조정한다. 이를 통해, 고정부(101)에 힘이 골고루 전달되어 결국 압전체(105)에 고른 힘이 전달될 수 있으며, 따라서 압전체(105)에 특정 부위에 힘이 과도하게 집중됨으로써 발생 가능한 압전체(105)의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 고정부(101)에 외력이 가해지지 않을 시의 고정부(101)의 타측 영역의 높이와 반발력 제공부(103)의 일단부의 높이는 상호 대응된다. 즉, 외력이 가해지지 않을 때 고정부(101)는 수평 상태를 유지할 수 있는 것이다. 이를 통해 고정부(101)뿐만 아니라 그에 결합된 압전체(105)는 외력이 가해지지 않을 때 원래의 상태를 유지할 수 있어 변형 발생을 줄일 수 있으며, 이에 따라 시스템의 수명을 연장할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압전체(105)가 부착된 고정부(101)가 변형된 후 복원될 때 반발력 제공부(103)에 의해 추가적인 충격을 가함으로써 압전체(105)의 변형에 따른 전기에너지 발생량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
아울러, 반발력 제공부(103)의 반발력을 이용하여 압전체(105)가 장착된 고정부(101)에 추가적인 충격이 발생되기 때문에 타격 횟수를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 더 높은 발전량을 얻을 수 있는 장점도 있다.
한편, 이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 개략적인 사시도이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(200)에서, 압전체(205)가 장착된 고정부(201)에 추가적으로 충격을 주는 반발력 제공부(203)는 수평 방향(X축 및 Y축)으로 이동 가능한 구조를 갖는다. 즉, 반발력 제공부(203)가 결합되는 결합 플레이트(204)에 십자 형상의 이동홈(204H)이 형성되어 반발력 제공부(203)는 일방향 및 그의 수직 방향으로 이동할 수 있으며 따라서 압전체(201)에 대한 반발력 제공 위치를 조절할 수 있다.한편, 이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템에서 반발력 제공부의 이동 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 반발력 제공부(303)는, 고정되는 고정대(303a)와, 고정대(303a)에 대해 수직 방향으로 이동 가능하게 결합되는 이동부재(303b)를 포함할 수 있다. 여기서 이동부재(303b)는 고정부(101, 도 1 참조)에 부딪히는 부분으로서, 이러한 이동부재(303b)의 수직 위치를 조절할 수 있어 압전체의 반발력 제공 정도를 조절할 수 있다.
부연하면, 이동부재(303b)의 위치를 하방으로 내릴수록 고정부에 가해지는 반발력 제공 정도를 증대시킬 수 있으며, 반대로 상방으로 올릴수록 고정부에 가해지는 반발력 제공 정도를 줄일 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 전기에너지 발생량을 최대로 하면서도 압전체(105, 도 1 참조)의 파손을 최소로 할 수 있는 위치로 고정대에 대한 이동부재의 위치를 조절할 수 있다.
한편, 이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템의 사시도이고, 도 7은 도 6은 평면도이다.
이들 도면에 도시된 것처럼, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(400)은, 압전체(405)와, 고정부(401)와, 지지부(402), 그리고 하나의 반발력 제공부(403)를 포함한다. 여기서, 반발력 제공부(403)는 전술한 제2 및 제3 실시예에서 상술할 것처럼 수평 또는 수직 이동 구조를 가질 수 있다.
본 실시예의 경우, 반발력 제공부(403)가 압전체(401)의 중앙 부분에 장착됨으로써 압전체(401)에 고른 반발력을 제공할 수 있다. 또한, 반발력 제공부(403)를 단일 개로 함으로써 제조 비용이 적게 드는 장점이 있다.
한편, 이하에서는 도 8을 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 하베스팅 시스템을 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 압전 하베스팅 시스템(500)의 압전체(505)는, 인장력을 받는 전술한 일 실시예의 압전체(105, 도 2 참조) 구조와는 달리, 압전체(505)가 고정부(501)의 하부에 위치함으로써 외력 제공 시 압축력을 받을 수 있으며, 따라서 압축에 의한 전기에너지를 생성할 수 있다.
이 경우, 압축력에 의해 압전체(501)가 펴지는 것이 아니라 모아짐으로써 전기에너지 발생량을 상대적으로 증대시킬 수 있으며, 아울러 반발력 제공부(503)의 타격에 의해 전기에너지 생성량을 더욱 증대시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 의하면, 압전체의 타격 시 압전체가 변형이 되었다가 본래의 위치로 되돌아가려는 힘을 이용하여 압전체에 2차적으로 충격을 가하여 전기에너지를 수확할 수 있는 장점이 있다.
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.
100 : 압전 하베스팅 시스템
101 : 고정부
102 : 지지부
103 : 반발력 제공부
105 : 압전체

Claims (10)

  1. 압전 물질로 마련되는 압전체;
    상기 압전체가 적어도 일면에 부착되는 고정부;
    상기 고정부의 일측을 지지하는 지지부; 및
    상기 고정부에 외력이 가해져 상기 고정부가 변형된 후 복원될 때 상기 고정부에 반발력을 제공함으로써 상기 압전체가 전기에너지를 생성하도록 하는 반발력 제공부;
    를 포함하는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반발력 제공부는 상기 압전체가 미부착된 상기 고정부의 타측 영역과 접촉되도록 마련되는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정부에 외력이 가해지지 않을 시의 상기 고정부의 타측 영역의 높이와 상기 반발력 제공부의 일단부의 높이는 상호 대응되는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반발력 제공부는 한 쌍 마련되어 상기 고정부의 대칭되는 지점에 대해 반발력을 제공하는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반발력 제공부의 수평 방향으로의 위치를 조절하기 위한 결합 플레이트를 더 포함하며,
    상기 결합 플레이트에는 상기 반발력 제공부의 하단이 부분적으로 인입되며 상기 반발력 제공부를 일방향 및 상기 일방향의 수직 방향으로 이동시키기 위한 십자 형상의 이동홈이 형성되는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반발력 제공부는,
    높이 방향으로 마련되는 고정대; 및
    높이 방향으로 위치 조절 가능하도록 상기 고정대에 장착되며, 상기 고정부에 가해지는 반발력의 정도를 조절하는 이동부재를 포함하는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정부에 하방으로 외력이 가해지는 경우 상기 압전체에 인장력이 발생될 수 있도록 상기 압전체는 상기 고정부의 상면에 장착되는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정부에 하방으로 외력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 발생될 수 있도록 상기 압전체는 상기 고정부의 하면에 장착되는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  9. 압전 물질로 마련되는 압전체;
    상기 압전체가 부착된 고정부;
    상기 고정부의 일측을 지지하는 지지부; 및
    외력에 의해 변형된 후 복원되는 상기 고정부를 타격하는 반발력 제공부;
    를 포함하는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    유체의 흐름을 이용하여 상기 외력을 제공하는 타격부재를 더 포함하고,
    상기 반발력 제공부는 고정된 상태로 상기 복원되는 고정부를 타격하는, 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템.
KR1020120083972A 2012-03-12 2012-07-31 반발력을 이용한 압전 하베스팅 시스템 KR101319668B1 (ko)

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