KR20160032811A - 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템 - Google Patents

압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 관한 것으로, 컨테이너(110);와, 상기 컨테이너(110) 하측에 설치되는 압전 부재(120);와, 상기 컨테이너(110) 내측에 상기 압전부재(130) 상에 상하로 회동가능하게 설치되는 진동볼(130);과, 상기 컨테이너(110)의 하측에 연결되어 상기 컨테이너(110)를 탄성 지지하는 탄성 부재(140); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하는 경우, 1회성 진동이 가해지는 경우, 이를 탄성부재를 이용하여 진동 강도가 약한 비교적 계속적인 진동으로 변환하여 효율적인 압전 발전이 가능한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 유니트화된 진동 발전 유니트를 여러층 또는 여러개로 조합하여, 종래의 진동발전기에 비해 월등히 큰 대전력을 생산하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다.

Description

압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템{vibration generator}
본 발명은 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 관한 것으로, 컨테이너(110);와, 상기 컨테이너(110) 하측에 설치되는 압전 부재(120);와, 상기 컨테이너(110) 내측에 상기 압전부재(130) 상에 상하로 회동가능하게 설치되는 진동볼(130);과, 상기 컨테이너(110)의 하측에 연결되어 상기 컨테이너(110)를 탄성 지지하는 탄성 부재(140); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 압전 소자는 소자에 가해지는 압력을 전기로 변환하는 소자로, 피에조 소자, 압전 부재 등 다양한 명칭으로 불리운다. 이러한 압전소자를 이용하여 발전하는 종래의 발전방법은 1개 또는 소수의 압전소자를 한 차례씩 가압하는 단순동작을 불규칙하게 반복하는 방법으로 소량을 발전하여 이용하고 있다. 이와 같은 1회성 단순가압방법과 발전방법은 발전량이 적은 현존 압전소자를 이용하여 산업상 이용가능한 대량의 발전량을 획득하기는 지극히 곤란하다는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 진동발전기는 외부가진원 표면의 한 포인트에 압전부재의 한 포인트가 접촉된 상태에서 외부가진원의 진동을 압전부재에 전달하여 발전(發電)하는 하는 원리로 외부가진원 표면에 압전부재들이 단층으로 배치되어 접촉하기 때문에 여러층의 압전부재들을 외부가진원 표면의 상부나 하부에 설치한 방식에 비해 발전체(發電體)인 압전부재의 수량이 많지 않아 발전용량이 적다는 문제점이 있는 것은 물론, 도 압전 소자의 발전 용량을 초과하는 강도를 가지는 1회성 진동이 가해지는 경우 진동 에너지의 대부분이 전력으로 변환되디 못하고 1회의 발전만이 가능하다는 문제점이 있었다.
이러한 기존 발명의 문제점을 해결하고자 하기 특허문헌 1의 "동시압력전달방법을 이용한 압전발전시스템"은, 다수의 압전소자 또는 적층(積層) 압전소자로 구성하는 다수의 압전유니트(unit)와 1개의 판 스프링(leaf spring)을 조합하고, 외부회전체로부터 압력을 받은 판 스프링(leaf spring)의 탄력으로 다수의 압전유니트(unit)를 동시에 가압.발전하는 압전발전모듈(module)을 구성하고, 이 압전발전모듈(module)을 외부회전체와 결합하여 압전발전장치를 구성하는 내용이 개시되어 있다.
그러나, 상기 특허문헌 1의 발명은 계속적인 회전력이 공급되는 경우에만 발전이 가능하다는 문제점이 있었다.
특히, 대부분의 진동의 경우 도 1에 나타낸 것과 같은 비교적 큰 진폭을 가지며 짧은 시간 안에 소멸하는 특성을 가지게 되는데, 이 경우, 도 1에서 점선으로 표현한 압전소자의 허용 입력 압력(A) 이상의 진동은 에너지로 변환되지 못하므로 전달받은 진동 중 도 1에서 빗금으로 표현한 영역의 넓이에 해당하는 진동만이 에너지로 변환되어 그 변환 효율이 극히 낮다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 허용 입력 압력이 높은 압전 소자를 이용하는 경우, 허용 입력 압력이 높은 압전 소자를 제작하는 것 자체가 극히 어려우며 혹시 제작이 가능하다 하여도 제작 단가가 급격히 상승하는 문제가 있었다.
특허문헌 1: 대한민국 공개특허 제10-2012-0110628호
본 발명은 상기한 기존 발명들의 문제점을 해결하여, 1회성 진동이 가해지는 경우, 이를 탄성부재를 이용하여 진동 강도가 약한 비교적 계속적인 진동으로 변환하여 효율적인 압전 발전이 가능한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
또한, 유니트화된 진동 발전 유니트를 여러층 또는 여러개로 조합하여, 종래의 진동발전기에 비해 월등히 큰 대전력을 생산하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 관한 것으로, 컨테이너(110);와, 상기 컨테이너(110) 하측에 설치되는 압전 부재(120);와, 상기 컨테이너(110) 내측에 상기 압전부재(130) 상에 상하로 회동가능하게 설치되는 진동볼(130);과, 상기 컨테이너(110)의 하측에 연결되어 상기 컨테이너(110)를 탄성 지지하는 탄성 부재(140); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨테이너(110)는, 여러 개의 진동볼(130)이 각각 상하로 회동가능하게 삽입될 수 있는 다수개의 진동볼 장착공(161)이 형성되어 있으며, 그 하측에 상기 압전 부재(120)가 부착되어 있는 볼 홀더(ball holder)(160)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼 홀더(160)는 상하로 2 개 층 이상 적층되어 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼 홀더(160)가 삽입되어 설치되는 볼 홀더 설치부(171)가 중앙에 형성된 지지판(170);과, 상기 볼 홀더(160)가 삽입된 상기 지지판(170)을 2 개 층 이상 적층하여 결합시키는 지지판 적층 결합 수단(180);과, 적층된 상기 지지판(170)들의 최하측에 결합되며, 그 하측에 상기 탄성 부재(140)가 결합되는 하측 지지판(190);과, 적층된 상기 지지판(170)들의 최상측에 결합되는 상측 지지판(191); 을 더 포함하여 구성되며,
상기 탄성 부재(140)는, 스프링 가이드(142) 내에 설치되는 스프링(141)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼 홀더(160)의 상측에 더 설치되는 상측 압전 부재(121);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하는 경우, 1회성 진동이 가해지는 경우, 이를 탄성부재를 이용하여 진동 강도가 약한 비교적 계속적인 진동으로 변환하여 효율적인 압전 발전이 가능한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 유니트화된 진동 발전 유니트를 여러층 또는 여러개로 조합하여, 종래의 진동발전기에 비해 월등히 큰 대전력을 생산하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
도 1: 기존 발명의 1회성 단순가압 발전방법에 1회성 진동이 가해지는 경우 시간에 따른 진동의 강도 및 발전량을 나타내는 그래프.
도 2: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 기본 유니트의 구성을 나타내는 모식도.
도 3: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 볼 홀더를 나타내는 분해 사시도.
도 4: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 작동을 나타내는 단면 모식도.
도 5: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 외관 사시도.
도 6: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 단면도.
도 7: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템에 1회성 진동이 가해지는 경우 시간에 따른 진동의 강도 및 발전량을 나타내는 그래프.
도 8: 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템이 철로변에 설치된 상태를 나타내는 모식도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템을 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
먼저, 도 2의 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 기본 유니트의 구성을 나타내는 모식도를 통하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 작동의 기본 원리 및 구성을 설명한다.
본 발명의 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템은 도 2에 나타낸 것고 k같이, 컨테이너(110)와, 상기 컨테이너(110) 하측에 설치되는 압전 부재(120)와, 상기 컨테이너(110) 내측에 상기 압전부재(130) 상에 상하로 회동가능하게 설치되는 진동볼(130)과, 상기 컨테이너(110)의 하측에 연결되어 상기 컨테이너(110)를 탄성 지지하는 탄성 부재(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 컨테이너(110)의 형상은 상기 진동볼(130)이 상하로 회동가능하게 설치될 수 있는 대단히 다양한 형상으로 구성되는 것이 가능하다.(예를 들어 원기둥 형상, 직육면체 등) 한편, 상기 진동볼(130)은 소정의 관성 질량을 가지면서 상하로 진동하여 상기 압전부재(130)에 반복적인 압력을 가할 수 있는 기능을 가질 수 있는 형상이면 족하나, 진동시 원활한 상하 작동을 위하여 볼(ball)의 형상으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 진동볼(130)의 재질로는 금속, 세라믹, 플라스틱 등 다양한 재질로 구성되는 것이 가능하며, 소정의 관성 질량을 가지면서 충격에 의한 파손을 방지하고, 절연성을 확보하기 위하여 내측은 금속 또는 세라믹과 같은 중량재로 구성되도록 한 후, 외측에 탄성 고무 또는 탄성 실리콘과 같은 탄성 절연 재질로 코팅되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 경우, 도 1에 나타낸 기존의 압전 발전 장치와는 달리, 도 7에서 실선으로 나타낸 것과 같이 1회성의 강한 진동이 인가되는 경우 상기 탄성 부재(140)에 의하여 일점 쇄선으로 표현한 것과 같이 비교적 진폭이 약하고 더욱 오래 지속되는 진동으로 상기 컨테이너(110)가 진동하게 되며, 따라서 상기 컨테이너 내부의 진동볼(130) 역시 비교적 약한 도 7에서 점선으로 표현한 압전소자의 허용 입력 압력(A) 범위 내의 압력으로 오랜 시간 동안 상기 압전 부재(120)에 반복적인 압력을 가하게 된다. 따라서, 도 7에서 빗금으로 표시한 면적과 같이 진동에 의한 운동 에너지의 많은 부분을 전기 에너지로 변환하게 된다.
이 경우 상기 탄성 부재(140)의 탄성 계수는, 본 발명의 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템이 설치되는 장소에서 통상적으로 발생하는 진동의 강도(진폭) 및 주기를 입력으로 하여, 상기 컨테이너(110)와 상기 진동볼(130)을 포함하는 시스템의 관성 질량을 변수로 하는 진동 특성 방정식의 시간에 따른 출력특성이 가능한 한 상기 압전부재(120)의 허용 입력 압력(A) 이내가 되도록 하면서 가능한한 오랜 시간 동안 진동이 유지될 수 있는 값을 가지도록 계산되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템의 효율 및 출력을 더욱 높이기 위하여, 도 2에 나타낸 기본적인 구성을 복수개로 결합하여 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 복수 개의 결합된 구성을 구현하는 실시예로는 대단히 다양한 실시예가 가능하다. 그 일실시예로 상기 컨테이너(110)는 도 3에 나타낸 것과 같이, 여러 개의 진동볼(130)이 각각 상하로 회동가능하게 삽입될 수 있는 다수개의 진동볼 장착공(161)이 형성되어 있으며, 그 하측에 상기 압전 부재(120)가 부착되어 있는 볼 홀더(ball holder)(160)를 포함하여 구성되도록 하여, 다수개의 상기 진동볼(130)이 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 이러한 상기한 구조를 상하로 적층하여 더욱 발전 효율과 출력을 높이기는 것이 가능하며, 상기 볼 홀더(160)는 도 6에 나타낸 것과 같이 상하로 2 개 층 이상 적층되어 결합되는 것이 바람직하다.
한편, 실제적인 설치 및 운영상 필요한 강도의 확보 및 유지 보수의 편의를 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템은 도 3 및 도 6에 나타낸 것과 같이 상기 볼 홀더(160)가 삽입되어 설치되는 볼 홀더 설치부(171)가 중앙에 형성된 지지판(170)과, 상기 볼 홀더(160)가 삽입된 상기 지지판(170)을 2 개 층 이상 적층하여 결합시키는 지지판 적층 결합 수단(180)과, 적층된 상기 지지판(170)들의 최하측에 결합되며, 그 하측에 상기 탄성 부재(140)가 결합되는 하측 지지판(190)과, 적층된 상기 지지판(170)들의 최상측에 결합되는 상측 지지판(191)을 더 포함하여 구성되며, 상기 탄성 부재(140)는, 스프링 가이드(142) 내에 설치되는 스프링(141)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 진동볼(130)이 하강하는 경우에 더하여 상승하는 경우에도 발전하는 것이 가능하도록 하기 위하여 상기 볼 홀더(160)의 상측에는 도 3 및 도 4에 나타낸 것과 같이 상측 압전 부재(121)가 더 설치되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 각각의 상기 압전 부재(130)에서 출력되는 전기 출력은 맥동이 포함된 출력의 특성을가지므로, 이를 평활화 하기 위하여 캐패시터(축전기)를 통과 시킨 후 부하에 공급하거나 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage system)(C)에 저장한 후 부하에 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 상기 압전 부재(130)는 PCB상에 설치되도록 하여 제작의 편의 및 유지 보수의 용이성을 도모하는 것이 바람직하다.
지금까지 설명한 본 발명의 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템은 발전소, 플랜트 등 진동이 발생하는 장소에 설치하거나, 파도에 의한 진동이 발생하는 해상에 해상 부유식으로 설치하는 등 다양한 장소에 설치하여 운용하는 것이 가능하다. 그 일 실시예로는, 도 8에 나타낸 것과 같이 비교적 크기가 강한 1회성 진동이 일정한 시간 간격을 가지고 반복적으로 발생하는 철로변 등에 설치되는 것이 바람직하다.
이상에서는 도면과 명세서에서 최적 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
C: 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage system)
100: 진동발전유니트
110: 컨테이너
120: 압전부재
121: 상측 압전부재
130: 진동볼
140: 탄성부재
141: 스프링 142: 스프링 가이드
150: 기저판
160: 볼 홀더 161: 진동볼 장착공
162: 저판
170: 지지판 171: 볼홀더 설치부
180: 지지판 적층 결합 수단
190: 하측지지판 191: 상측 지지판

Claims (5)

  1. 컨테이너(110);
    상기 컨테이너(110) 하측에 설치되는 압전 부재(120);
    상기 컨테이너(110) 내측에 상기 압전부재(130) 상에 상하로 회동가능하게 설치되는 진동볼(130);
    상기 컨테이너(110)의 하측에 연결되어 상기 컨테이너(110)를 탄성 지지하는 탄성 부재(140); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템.
  2. 청구항 제 1항에 있어서,
    상기 컨테이너(110)는,
    여러 개의 진동볼(130)이 각각 상하로 회동가능하게 삽입될 수 있는 다수개의 진동볼 장착공(161)이 형성되어 있으며, 그 하측에 상기 압전 부재(120)가 부착되어 있는 볼 홀더(ball holder)(160)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템.
  3. 청구항 제 2항에 있어서,
    상기 볼 홀더(160)는 상하로 2 개 층 이상 적층되어 결합되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템.
  4. 청구항 제 2항에 있어서,
    상기 볼 홀더(160)가 삽입되어 설치되는 볼 홀더 설치부(171)가 중앙에 형성된 지지판(170);
    상기 볼 홀더(160)가 삽입된 상기 지지판(170)을 2 개 층 이상 적층하여 결합시키는 지지판 적층 결합 수단(180);
    적층된 상기 지지판(170)들의 최하측에 결합되며, 그 하측에 상기 탄성 부재(140)가 결합되는 하측 지지판(190);
    적층된 상기 지지판(170)들의 최상측에 결합되는 상측 지지판(191); 을 더 포함하여 구성되며,
    상기 탄성 부재(140)는,
    스프링 가이드(142) 내에 설치되는 스프링(141)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템.
    ,
  5. 청구항 제 2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼 홀더(160)의 상측에 더 설치되는 상측 압전 부재(121);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 진동 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102403556B1 (ko) * 2020-12-10 2022-05-30 윤형도 압전소자를 이용한 풍력발전시스템

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KR102403556B1 (ko) * 2020-12-10 2022-05-30 윤형도 압전소자를 이용한 풍력발전시스템

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