KR20170026063A - 압전 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

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KR20170026063A
KR20170026063A KR1020160004613A KR20160004613A KR20170026063A KR 20170026063 A KR20170026063 A KR 20170026063A KR 1020160004613 A KR1020160004613 A KR 1020160004613A KR 20160004613 A KR20160004613 A KR 20160004613A KR 20170026063 A KR20170026063 A KR 20170026063A
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성태현
안정환
황원섭
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홍성광
양찬호
조대흥
조재용
정세영
강우중
송예원
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한양대학교 산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 상단부와 하단부 사이에 유격이 형성되어 상단부에 외력이 가해지는 경우 상기 상단부가 하강할 수 있는 챔버, 상기 챔버 내의 일면에 구비되고, 탄성을 지닌 변형 지지대 및 상기 변형 지지대에 구비되어, 상기 변형 지지대와 함께 변형되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부는 상기 외력이 특정 값 이상일 경우에 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.

Description

압전 에너지 하베스팅 시스템 {A PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTING SYSTEM}
아래의 실시예들은 압전 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다.
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.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 분산전원으로서 발전 시스템이 고려되고 있으나, 신재생에너지의 발전효율 등을 고려할 때, 압전발전시스템의 개발이 진행 중이다.
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.
이 때, 여러 가지 도로 매설형 하베스팅 시스템이 있지만, 외부의 큰 하중을 보강하는 추가적인 구성을 가지는 경우가 드물다.
예를 들어, 2009년 1월 19일에 출원 된 KR 2010-7019588에서는 '에너지수확 장치 및 방법'에 대하여 개시되어 있다
일 실시예에 따른 목적은, 상부 하중 입력 시 압전 소자의 변형을 통해 전기에너지를 생산할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 일정 수치 이상의 외력이 가해져 압전 소자에 일정 수치 이상의 변형이 발생할 경우 롤러를 동작시켜 압전 소자의 파손을 방지하는 것이다.
뿐만 아니라, 차량이 도로에 가하는 하중 입력과 같은 기계적 에너지를 압전 효과를 이용하여 전기에너지로 변환할 때, 곡면 형상의 압전 소자의 대칭구조와 롤러를 이용하여 내구성이 향상된 압전 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는 것이다.
즉, 일 실시예에 따른 목적은, 도로에 매설된 압전 장치의 내구력을 향상시키는 구조를 제공하고, 이를 통해 외력이 하베스팅 시스템에 가해질 때, 지지대, 조인트 및 롤러를 이용하여 외력에 의한 하중을 분산시켜 압전 소자의 항복 응력을 초과하는 하중이 부과되었을 때에도 파손이 되지 않는 구조를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 상단부와 하단부 사이에 유격이 형성되어 상단부에 외력이 가해지는 경우 상기 상단부가 하강할 수 있는 챔버, 상기 챔버 내의 일면에 구비되고 탄성을 지닌 변형 지지대 및 상기 변형 지지대에 구비되어 상기 변형 지지대와 함께 변형되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부는 상기 외력이 가해지는 경우에 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.
상기 변형 지지대는 U자 형상으로 형성되어 상기 외력에 의하여 상기 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있다. 이 때, 상기 변형 지지대의 일단은 상기 일면에 고정되고, 상기 변형 지지대의 타단은 상기 외력이 가해지는 경우 상기 일면에 대하여 미끄질 수 있다.
상기 압전 에너지 아베스팅 시스템은 상기 챔버 내에 두 개의 변형 지지대를 구비할 수 있는데, 제1 변형 지지대는 상기 챔버 내의 상면에 구비되고, 제2 변형 지지대는 상기 챔버 내의 하면에 구비될 수 있다. 이 때, 상기 두 개의 변형 지지대의 정점이 서로 맞닿아 있을 수 있다.
또한, 상기 제1 변형 지지대와 상기 제2 변형 지지대 사이에 구비되고, 타원형 형상으로 형성되어, 상기 외력에 의하여 상기 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 탄성이 있어 변형될 수 있는 적어도 하나의 제3 변형 지지대를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 변형 지지대에는 압전 소자가 구비될 수 있다.
변형 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템에서, 변형 지지대는 U자 형상으로 형성되어 외력에 의하여 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있다.
여기서, 상기 변형 지지대의 곡면 정점은 상기 일면에 대칭되는 면에 고정되고, 상기 변형 지지대의 양단은 상기 외력이 가해지는 경우 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.
상기 압전 에너지 하바세팅 시스템은, 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부에 구비되어, 상기 챔버의 일면에 대하여 상기 변형 지지대의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 롤러는 특정 값의 마찰 계수를 지니며, 상기 외력은 상기 롤러의 특정 마찰 계수에 상응하여 상기 롤러를 이동시킬 수 있는 힘을 의미한다.
상기 변형 지지대와 상기 롤러는 조인트에 의하여 체결될 수 있다.
다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은 외력에 의하여 내측의 체적이 변화될 수 있는 챔버, 상기 챔버 내의 일면에 구비되고 탄성을 지닌 변형 지지대, 상기 변형 지지대에 구비되어 상기 변형 지지대와 함께 변형되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자 및 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부에 구비되어 상기 챔버의 일면에 대하여 상기 변형 지지대의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러를 포함할 수 있다.
상기 챔버에 가해지는 외력이 가해지는 경우, 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부는 상기 롤러에 의하여 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.
상기 챔버는 복원력을 지니며, 상기 외력이 가해지는 경우 내측의 체적이 감소하였다가, 상기 외력이 제거된 경우 내측의 체적이 다시 복구될 수 있다.
또한, 상기 챔버는 상단부와 하단부로 구성될 수 있다. 이 때, 상기 상단부와 하단부 사이에는 유격이 형성되어, 상기 유격 사이에는 탄성체가 구비될 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 상부 하중 입력 시 압전 소자의 변형을 통해 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한, 일정 수치 이상의 외력이 가해져 압전 소자에 일정 수치 이상의 변형이 발생할 경우 롤러를 동작시켜 압전 소자의 파손을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 차량이 도로에 가하는 하중 입력과 같은 기계적 에너지를 압전 효과를 이용하여 전기에너지로 변환할 때, 곡면 형상의 압전 소자의 대칭구조와 롤러를 이용하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 도로에 매설된 압전 장치의 내구력을 향상시키는 구조를 제공하고, 이를 통해 외력이 하베스팅 시스템에 가해질 때, 지지대, 조인트 및 롤러를 이용하여 외력에 의한 하중을 분산시켜 압전 소자의 항복 응력을 초과하는 하중이 부과되었을 때에도 파손이 되지 않는 구조를 제공할 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타낸다.
도2는 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 작동 상태를 나타낸다.
도4는 제3 변형 지지대를 포함한 압전 에너지 하베스팅 시스템의에서 사시도를 나타낸다.
도5는 한 개의 변형 지지대를 포함한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타낸다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타내고, 도2는 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타낸다. 도3은 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 작동 상태를 나타내며, 도4는 제3 변형 지지대를 포함한 압전 에너지 하베스팅 시스템의에서 사시도를 나타낸다. 또한, 도5는 한 개의 변형 지지대를 포함한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 사시도를 나타낸다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은, 외력에 의하여 내측의 체적이 변화될 수 있는 챔버(100), 챔버(100) 내의 일면에 구비되어 적어도 하나의 단부가 챔버(100)의 일면에 대하여 미끄러질 수 있는 변형 지지대(200), 변형 지지대(200)에 구비되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자(300) 및 변형 지지대(200)의 적어도 하나의 단부에 구비되어 챔버(100)의 일면에 대하여 변형 지지대(200)의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 변형 지지대(200)의 적어도 하나의 단부는 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우에 챔버의 일면에 대하여 미끄러지질 수 있다. 이는 챔버(100)에 가해지는 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 변형 지지대(200)의 적어도 하나의 단부가 롤러(400)에 의하여 일면에 대하여 미끄러짐으로써 수행될 수 있다.
이 때, 챔버(100)는 복원력을 지닌 재료로 형성되어, 외력이 가해지는 경우 내측의 체적이 감소하였다가, 외력이 제거된 경우 내측의 체적이 다시 복구될 수 있다.
또한, 챔버(100)는 상단부(110)와 하단부(120)로 구성되고, 상단부(110)와 하단부(120) 사이에는 유격이 형성되어, 유격 사이에는 탄성체(600)가 구비될 수 있다. 그리하여, 상단부(110)에 외력이 가해지는 경우 상기 상단부(110)가 하강할 수 있고, 그에 따라 챔버(100)의 내측 체적이 감소될 수 있다.
즉, 챔버(100)에 외력이 가해지는 경우, 외력이 작용하는 면과 이와 마주보는 면은 탄성적으로 변형될 수 있다. 다만, 챔버(100)에 가해지는 외력이 없어지는 경우, 챔버(100)는 외력이 가해지기 전의 원상태를 유지할 수 있다.
다만, 챔버(100)의 형상이 육면체 형상에 한정된는 것은 아니며, 필요에 따라 원기둥형, 삼각기둥형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 자명하다.
여기서, 변형 지지대(200)는 곡면 형상으로 형성되어 외력에 의하여 챔버(100)의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있다. 일 실시예로서, 변형 지지대(200)는 U자 형상의 판 스프링 또는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 형성되어 외력에 의하여 챔버(100)의 내측 체적이 감소되는 경우 그 형태가 변형될 수 있다. 이 때, 변형 지지대(200)에 구비된 압전 소자(300) 또한 수축될 수 있다.
그 후, 외력이 없어진 경우, 챔버(100)는 원상태로 돌아가면서 내측의 체적이 다시 증가하고, 그에 따라 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)도 복원력을 통해 원래의 형상으로 돌아간다. 이와 같은 과정에서, 압전 소자(300)는 챔버(100)의 변화에 따라 수축하고 이완되며, 이 때 발생하는 진동을 이용하여 에너지를 발전시킬 수 있다.
즉, 변형 지지대(200)는 챔버(100)의 내측 체적의 변화에 의해 휘어질 수 있으며, 동시에 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)에 진동이 발생하게 된다. 그 후에 변형 지지대(200)는 탄성 변화되는 성질에 의하여 수축되기 전의 상태로 복구될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄성 변화될 수 있는 다른 재료에 의하여 변형 지지대(200)가 형성될 수도 있다.
압전 소자(300)는 변형 지지대(200)의 적어도 일면에 부착되어 진동 에너지를 전기 에너지를 변환 시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 압전 소자(300)는 변형 지지대(200)의 양 면에 부착될 수도 있다.
즉, 압전 소자(300)는 변형 지지대(200)에 결합되어 변형 지지대(200)가 휘고 진동하는 경우 함께 휘고 진동하면서 상기 진동을 전기 에너지를 변환시키는 역할을 수행한다.
압전 소자(300)는 기계 진동을 받을 때 전하를 발생하거나 전하가 가해질 때 기계 진동을 발생시키는 역할을 할 수 있으며, 기본적으로 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전 소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어난 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전 소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며, 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전 소자(300)의 종류로는 PVDF, 바륨 티타네이트, PMN-PT 단결정, PZT 결정 또는 PZT 섬유 등을 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전 소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등이 사용될 수 있다.
다만, 압전 소자(300)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
상기와 같은 과정에서, 과도한 변형으로 인하여 압전 소자(300)가 파손되는 것을 방지하기 위하여, 변형 지지대(200)의 일단은 챔버(100)의 일면에 고정되고, 변형 지지대(200)의 타단은 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.
일 실시예로서, 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 변형 지지대(200)의 적어도 하나의 단부에 구비되어 챔버(100)의 일면에 대하여 변형 지지대(200)의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 롤러(400)는 특정 값의 마찰 계수를 지니며, 챔버(100)에 가해지는 외력은 롤러(400)의 특정 마찰 계수에 상응하여 롤러(400)를 이동시킬 수 있는 힘을 의미한다. 따라서, 롤러(400)를 작동시키는 외력의 특정 값은 롤러(400)의 마찰계수를 이용하여 제어 가능하다.
따라서, 상기 외력이 가해지지 않거나 특정 값 미만일 경우 롤러(400)는 작동하지 않으며, 변형 지지대(200)는 미끄러지지 않는다. 이와 반대로, 상기 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 롤러(400)는 작동하게 되며, 변형 지지대(200)는 챔버(100)의 내측 벽면 쪽으로 미끄러지게 된다. 그리하여, 외력의 세기가 과도한 경우, 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)는 더 이상 수축되지 아니하고 이들의 파손이 방지될 수 있다.
다만, 변형 지지대(200)가 챔버(100)의 일면에 대하여 미끄러지기 위한 형상이 롤러(400)에 한정되는 것이 아니며, 스키드(Skied), 레일(Rail) 등에 의하여 구현될 수 있음은 자명하다.
압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 변형 지지대(200)와 롤러(400)를 체결하는 조인트(500)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 변형 지지대(200)와 롤러(400)를 체결하기 위한 도구로서 볼트와 너트 등 당업자의 상식에 비추어 사용될 수 있는 다른 체결구가 사용될 수 있음은 자명하다.
또한, 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 곡면 형상으로 형성된 두 개의 변형 지지대(200)를 챔버(100) 내에 구비할 수 있다. 제1 변형 지지대(210)는 챔버(100) 내의 일면에 구비되고, 제2 변형 지지대(220)는 제1 변형 지지대(210)가 구비된 일면에 대칭되는 면에 구비될 수 있다. 상기 두 개의 변형 지지대(210, 220)의 정점은 서로 맞닿아 있다. 여기서, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)의 일단은 각각 챔버의 일면 및 상기 일면에 대칭되는 면에 고정되고, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)의 타단은 각각 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 상기 일면 및 상기 일면에 대칭되는 면에 대하여 미끄러질 수 있다.
도2를 참조하면, 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 변형 실시예는 곡면 형상으로 형성된 두 개의 변형 지지대(200)가 챔버(100) 내에 구비될 수 있고, 제1 변형 지지대(210)는 챔버(100) 내의 일면에 구비되고, 제2 변형 지지대(220)는 상기 제1 변형 지지대(210)가 구비된 일면에 대칭되는 면에 구비될 수 있다.
여기서, 상기 두 개의 변형 지지대(210, 220)의 정점은 서로 맞닿아 있다. 이 때, 두 개의 변형 지지대(210, 220)의 정점은 각각 고정 요소(700)에 의하여 고정될 수 있다. 고정 요소(700)는 복원 스프링으로 형성될 수 있으며, 상기 고정 요소(700)는 두 개의 변형 지지대(210, 220)의 정점을 챔버(100) 내측의 중심에 고정시킴과 동시에, 외력이 가해지는 경우에도 두 개의 변형 지지대(210, 220)의 정점이 서로 맞닿은 상태로 챔버(100) 내측의 중심에 위치할 수 있도록 유지시켜 준다.
그리고, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)의 양단은 상기 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 상기 일면 및 상기 일면에 대칭되는 면에 대하여 미끄러질 수 있다.
일 실시예로서, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)의 양단에 롤러(400)가 구비될 수 있으며, 상기 설명한 바와 같이 롤러(400)는 챔버(100)에 가해지는 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상 가해지는 경우 챔버(100)의 면에 대하여 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)의 단부를 이동시킬 수 있다.
즉, 상기 외력이 가해지지 않거나 특정 값 미만일 경우 롤러(400)는 작동하지 않으며, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)는 미끄러지지 않는다. 이와 반대로, 상기 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 롤러(400)는 작동하게 되며, 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220) 각각의 양단은 챔버(100)의 내측 벽면 쪽으로 미끄러지게 된다. 그리하여, 외력의 세기가 과도한 경우, 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)는 더 이상 수축되지 아니하고 이들의 파손이 방지될 수 있다.
다만, 변형 지지대(210, 229)가 챔버(100)의 일면에 대하여 미끄러지기 위한 형상이 롤러(400)에 한정되는 것이 아니며, 스키드(Skied), 레일(Rail) 등에 의하여 구현될 수 있음은 자명하다.
이하에서는 도3을 참조하여 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 작동 상태를 설명한다.
도3의 (a)와 같이, 챔버(100)에 가해지는 외력이 가해지지 않는 경우 또는 특정 값 미만일 경우 롤러(400)는 작동하지 않는다. 이와 반대로, 도3의 (b)와 같이 상기 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 롤러(400)는 작동하게 되며, 변형 지지대(200)는 챔버(100)의 내측 벽면 쪽으로 미끄러지게 된다. 그리하여, 외력의 세기가 과도한 경우, 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)는 더 이상 수축되지 아니하고 이들의 파손이 방지될 수 있다.
도4를 참조하면, 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 제1 변형 지지대(210)와 제2 변형 지지대(220) 사이에 구비되고 타원형 형상으로 형성되는 탄성을 지닌 적어도 하나의 제3 변형 지지대(230)를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 변형 지지대(230)는 외력에 의하여 챔버(100)의 내측의 체적이 변화되는 경우 제1 변형 지지대(210) 및 제2 변형 지지대(220)와 함께 수축될 수 있고, 외력이 제거된 경우 다시 복원력에 의하여 원상 복구될 수 있다.
이와 같은 제3 변형 지지대(230)에 또한 상기에서 설명한 압전 소자(300)가 구비될 수 있다. 압전 소자(300)는 제3 변형 지지대(230)의 적어도 일면에 부착되어 진동 에너지를 전기 에너지를 변환 시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 압전 소자(300)는 제3 변형 지지대(230)의 양 면에 부착될 수도 있다.
그에 따라, 압전 소자(300)는 제3 변형 지지대(230)에 결합되어 제3 변형 지지대(230)가 휘고 진동하는 경우 함께 휘고 진동하면서 상기 진동을 전기 에너지를 변환시키는 역할을 수행한다.
이 때, 제3 변형 지지대(230) 각각은 고정 요소(700)에 의하여 챔버(100)의 내측의 적어도 한 면에 고정될 수 있다. 또는 제1, 제2, 제3 변형 지지대(230)의 각각의 정점이 고정 요소 등에 의하여 서로 고정될 수 있다.
도5를 참조하면, 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 하나의 변형 지지대(200)를 포함할 수 있다. 이 때, 변형 지지대(200)는 곡면 형상으로 형성되어 챔버(100)에 가해지는 외력에 의하여 챔버(100)의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있다.
이 경우 변형 지지대(200)의 곡면 정점은 상기 일면에 대칭되는 면에 고정되고, 변형 지지대(200)의 양단은 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 상기 일면에 대하여 미끄러질 수 있다.
즉, 변형 지지대(200)의 정점이 챔버(100)에 고정되고, 변형 지지대(200)의 양단에는 롤러(400)가 구비되어 상기 외력이 가해지는 경우 또는 특정 값 이상일 경우 롤러(400)가 작동하게 된다. 따라서, 외력의 세기가 과도한 경우 변형 지지대(200)는 챔버(100)의 내측 벽면 쪽으로 미끄러지게 되고, 변형 지지대(200) 및 압전 소자(300)는 더 이상 수축되지 아니하고 이들의 파손이 방지될 수 있다.
상기와 같은 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)을 이용하여 상부 하중 입력 시 압전 소자의 변형을 통해 전기에너지를 생산할 수 있다. 또한, 일정 수치 이상의 외력이 가해져 압전 소자에 일정 수치 이상의 변형이 발생할 경우 롤러를 동작시켜 압전 소자의 파손을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 차량이 도로에 가하는 하중 입력과 같은 기계적 에너지를 압전 효과를 이용하여 전기에너지로 변환할 때, 곡면 형상의 압전 소자의 대칭구조와 롤러를 이용하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
즉, 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 도로에 매설된 압전 장치의 내구력을 향상시키는 구조를 제공하고, 이를 통해 외력이 하베스팅 시스템에 가해질 때, 지지대, 조인트 및 롤러를 이용하여 외력에 의한 하중을 분산시켜 압전 소자의 항복 응력을 초과하는 하중이 부과되었을 때에도 파손이 되지 않는 구조를 제공할 수 있다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 압전 에너지 하베스팅 시스템
100 : 챔버
200 : 변형 지지대
210 : 제1 변형 지지대
220 : 제2 변형 지지대
230 : 제3 변형 지지대
300 : 압전 소자
400 : 롤러
500 : 조인트
600 : 탄성체
700 : 고정 요소

Claims (10)

  1. 상단부와 하단부 사이에 유격이 형성되어 상단부에 외력이 가해지는 경우 상기 상단부가 하강할 수 있는 챔버;
    상기 챔버 내의 일면에 구비되고, 탄성을 지닌 변형 지지대; 및
    상기 변형 지지대에 구비되어, 상기 변형 지지대와 함께 변형되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자;
    를 포함하고,
    상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부는 상기 외력이 가해지는 경우 상기 일면에 대하여 미끄러지는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변형 지지대는 U자 형상으로 형성되어 상기 외력에 의하여 상기 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있으며,
    상기 변형 지지대의 일단은 상기 일면에 고정되고,
    상기 변형 지지대의 타단은 상기 외력이 가해지는 경우 상기 일면에 대하여 미끄러지는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    두 개의 변형 지지대가 상기 챔버 내에 구비될 수 있고,
    제1 변형 지지대는 상기 챔버 내의 상면에 구비되고, 제2 변형 지지대는 상기 챔버 내의 하면에 구비되어, 상기 두 개의 변형 지지대의 정점이 서로 맞닿아 있는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 변형 지지대와 상기 제2 변형 지지대 사이에 구비되고, 타원형 형상으로 형성되어, 상기 외력에 의하여 상기 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 탄성이 있어 변형될 수 있는 적어도 하나의 제3 변형 지지대를 더 포함할 수 있고,
    상기 제3 변형 지지대에는 압전 소자가 구비될 수 있는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변형 지지대는 U자 형상으로 형성되어 상기 외력에 의하여 상기 챔버의 내측의 체적이 변화되는 경우 변형될 수 있으며,
    상기 변형 지지대의 곡면 정점은 상기 일면에 대칭되는 면에 고정되고,
    상기 변형 지지대의 양단은 상기 외력이 가해지는 경우 상기 일면에 대하여 미끄러지는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부에 구비되어, 상기 챔버의 일면에 대하여 상기 변형 지지대의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러를 더 포함하고,
    상기 롤러는 특정 값의 마찰 계수를 지니며, 상기 외력은 상기 롤러의 특정 마찰 계수에 상응하여 상기 롤러를 이동시킬 수 있는 힘을 의미하는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변형 지지대와 상기 롤러는 조인트에 의하여 체결될 수 있는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  8. 외력에 의하여 내측의 체적이 변화될 수 있는 챔버;
    상기 챔버 내의 일면에 구비되고, 탄성을 지닌 변형 지지대; 및
    상기 변형 지지대에 구비되어, 상기 변형 지지대와 함께 변형되면서 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 압전 소자; 및
    상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부에 구비되어, 상기 챔버의 일면에 대하여 상기 변형 지지대의 단부를 이동시킬 수 있는 롤러;
    를 포함하고,
    상기 챔버에 가해지는 외력이 가해지는 경우, 상기 변형 지지대의 적어도 하나의 단부는 상기 롤러에 의하여 상기 일면에 대하여 미끄러지는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 챔버는 복원력을 지니며, 상기 외력이 가해지는 경우 내측의 체적이 감소하였다가, 상기 외력이 제거된 경우 내측의 체적이 다시 복구될 수 있는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 챔버는 상단부와 하단부로 구성되고,
    상기 상단부와 하단부 사이에는 유격이 형성되어, 상기 유격 사이에는 탄성체가 구비될 수 있는, 압전 에너지 하베스팅 시스템.
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