KR20180031261A - 풍력발전장치 - Google Patents

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KR20180031261A
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박종진
박상기
허양일
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(주)비에이에너지랩
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Abstract

본 발명은 회전체 허브와 회전체 블레이드로 구성되고, 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체; 상기 회전체의 회전축에 연결되어 전력을 발생시키는 발전기; 상기 회전체를 회전 가능하게 지지하는 베어링 구조체로서, 상기 회전체에 결합되는 외륜과 상기 외륜의 내주면 상에서 회전가능하게 형성되는 내륜을 포함하는 베어링 구조체; 상기 베어링 구조체의 내륜의 외면에 형성되는 회전 마찰재; 상기 베어링 구조체의 외륜의 내면에 형성되는 상기 회전 마찰재와 마찰 대전 서열이 상이한 물질로 구성되는 고정 마찰재; 및 상기 고정 마찰재의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력발전기에서 버려지는 에너지를 사용가능한 전기 에너지로 변환할 수 있는 베어링 타입 에너지 수확 장치에 관한 것이다.

Description

베어링 타입 에너지 수확 장치{BEARING TYPE ENERGY HARVESTING APPARATUS}
본 발명은 베어링 타입 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기 등의 베어링 구조체의 회전하는 내외륜 사이에서 소모되는 마찰 에너지를 활용하여 사용가능한 전기에너지를 저비용, 고효율로 생산할 수 있는 베어링 타입 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
최근 세계적으로 환경 이슈가 부각되고 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기를 맞이하면서 다양한 대체 에너지원 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 추세의 일환으로 주위 환경에서 발생하지만, 소모되어 버리는 주위 에너지 (ambient energy)를 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확장치와 관련된 기술이 최근 주목을 받고 있다.
신재생에너지의 하나로 크게 각광받고 있는 것 가운데 하나가 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기에너지를 얻는 풍력 발전기이다. 풍력발전 시스템은 바람을 동력원으로 하기 때문에 연료의 운반과 공급이 불필요한 무한정의 청정에너지원이며, 기존의 화석연료나 핵연료 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열공해, 방사능 누출, 대기오염 등이 없는 무공해 발전방식이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 에너지 효율, 크기 및 설비 가격 면에서 아직 실용화에 많은 장애를 가지고 있다.
풍력발전기는 바람에 자연적으로 부는 바람을 이용하여 전기를 발생시키지만, 낮은 풍속의 바람이 부는 경우에는 효율이 저하되고, 풍력 발전기 내부에는 마찰전기를 모아 전력으로 활용할 여지가 많지만, 이러한 에너지들은 버려지고 있고, 이들을 활용하여 사용가능한 전기 에너지로 변화하는 기술을 개시한 종래 기술은 없다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 소형 풍력발전기와 같은 발전장치에서 사용되는 베어링 구조체의 회전에 의해서 두 개의 대전된 물질 사이에서 생기는 마찰전기 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시킬 수 있는, 베어링 형태의 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 풍력발전과 마찰전기 발전을 동시에 진행하여, 기존의 풍력발전기의 에너지 효율을 향상시킴으로써, 실용화를 앞당기고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 풍력 발전기의 회전하는 회전체에 대한 추가적인 회전 저항 없이 버려지는 마찰 에너지를 전기 에너지로 수확할 수 있는 베어링 형태의 회전 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 회전체 허브와 회전체 블레이드로 구성되고, 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체; 상기 회전체의 회전축에 연결되어 전력을 발생시키는 발전기;
상기 회전체를 회전 가능하게 지지하는 베어링 구조체로서, 상기 회전체에 결합되는 외륜과 상기 외륜의 내주면 상에서 회전가능하게 형성되는 내륜을 포함하는 베어링 구조체;
상기 베어링 구조체의 내륜의 외면에 형성되는 회전 마찰재;
상기 베어링 구조체의 외륜의 내면에 형성되는 상기 회전 마찰재와 마찰 대전 서열이 상이한 물질로 구성되는 고정 마찰재; 및
상기 고정 마찰재의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
상기 회전 마찰재는 볼, 원추롤러, 원통 롤러, 구면 롤러, 침상 롤러, 또는 사각형일 수 있다.
상기 회전 마찰재의 소재로는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 나일론, 페놀 수지, 고무, 및 세라믹 중에서 선택되는 절연 소재이거나 또는 주철, 황동, 청동, 카드뮴 합금, 알루미늄 합금, 및 카본 그래파이트 중에서 선택되는 전도성 소재를 사용할 수 있다.
상기 베어링 구조체의 외륜에 형성되는 전극은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머 전극, 그래핀 전극, 또는 탄소나토튜브 전극이고, 상기 금속 전극은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 텅스텐, 철, 백금, 금, 은, 탄탈륨, 티타늄, 팔라듐, 루테늄, 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 및 티타늄 나이트라이드(TiN)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함한다.
상기 고정 마찰재는 나일론, 페놀 수지, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 종이, 면, 실리콘 고무, 테플론, 폴리디메틸실록산, 카프톤, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 폴리염화비닐로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 발전기는 프로펠러형, 세일-윙(sail-wing)형, 네덜란드형, 다익형, 다리우스(darrieus)형, 자이로-밀(gyro-mill)형, 직선날개 형, 사보니우스 (Savonius)형, 패들형, 크로스-플로우(cross-flow)형, 또는 S형 회전체(S-shape rotor)형 풍력발전기일 수 있다.
상기 회전체의 회전 블레이드는 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 또는 게팅겐 에어 포일형일 수 있다.
상기 회전체는 섬유강화 플라스틱(fiber reinforced plastic), 유리섬유 강화 플라스틱(glass fiber reinforced plastics), 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예의 베어링 타입 에너지 수확 장치에 의하면, 풍력이나 수력과 같은 주위 에너지에 의해서 회전체가 회전하기 용이하도록 도와주는 베어링 역할을 그대로 유지한 상태로, 추가적으로 버려지는 에너지를 모아 사용가능한 전기에너지로 수확할 수 있다. 이와 같이 풍력발전과 마찰전기 발전을 동시에 진행함으로써, 기존의 풍력발전기의 에너지 효율을 향상시킴으로써, 풍력발전기의 실용화를 앞당길 수 있다.
또한 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에 의하면, 회전체가 회전할 때 베어링의 내륜이 같이 회전하게 되고, 내륜에 부착된 회전 마찰재가 외륜에 부착된 고정 마찰재 및 마찰 전극과 마찰하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생된 전기에너지는 배터리에 저장되거나 연결된 전자기기에 공급되어 에너지 수확 효율을 증가시킬 수 있다.
또는 풍력발전기의 자기 위치 확인을 위한 에너지 공급원 또는 마찰에 의해 발생하는 전압 신호를 이용하여 회전수, 회전 속도, 풍속 등을 센싱하여 풍력발전기 관리를 위한 빅 데이터로 활용이 가능하다.
본 발명의 베어링 형태의 회전 에너지 수확 장치는 풍력을 이용하는 풍력 발전기 이외에 자동차, 비행기, 트레인, 선박, 헬리곱터 등의 회전하는 회전체에서 소모되는 마찰 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
도 1은 풍력 발전기의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 베어링 타입 에너지 수확 장치를 포함하는 풍력 발전기의 부분개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 타입 에너지 수확 장치의 일부 상세도와 원내 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 3D 프린터에 의해서 제작된 원통형의 베어링 타입 에너지 수확 장치의 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되게 표현될 수 있다.
본 발명은 풍력 또는 수력과 같은 주위 에너지를 사용가능한 전기 에너지로 변환하는 발전기에서 회전체를 회전가능하도록 지지하는 베어링 구조체의 외륜과 내륜 사이의 마찰 에너지를 전기 에너지로 수확하는 장치에 관한 것이다. 풍력발전기 등에서 회전체를 이용하여 회전동력으로 변환할 경우 베어링의 내륜에 형성된 회전 마찰재와 고정자인 베어링의 외륜에 부착된 고정 마찰재 사이의 마찰에 의해서 발생하는 표면전하의 유도 현상에 의해서 전극과 그라운드 사이의 전하 밀도가 달라져 전기 에너지로 수확할 수 있는 시스템이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 베어링 타입 에너지 수확 장치를 포함하는 풍력 발전기의 부분개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 타입 에너지 수확 장치의 베어링 구조체 부분의 상세도와 원내 확대도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 타입 에너지 수확 장치는 회전체 허브(31)와 회전체 블레이드(35)로 구성되고, 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체(30); 상기 회전체의 회전축에 연결되어 전력을 발생시키는 발전기 (11); 상기 회전체를 회전 가능하게 지지하는 베어링 구조체(17)로서, 상기 회전체에 결합되는 외륜 (17a)과 상기 외륜의 내주면 상에서 회전가능하게 형성되는 내륜(17b)을 포함하는 베어링 구조체(17); 상기 베어링 구조체의 내륜(17b)의 외면에 형성되는 회전 마찰재(18); 상기 베어링 구조체의 외륜(17a)의 내면에 형성되는 상기 회전 마찰재(18)와 마찰 대전 서열이 상이한 물질로 구성되는 고정 마찰재(16); 및 상기 고정 마찰재(16)의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하여 구성된다.
본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서는 회전 마찰재(18)는 베어링 구조체의 내륜(17b)의 외표면에 형성되고, 고정 마찰재(16)는 베어링 구조체의 외륜(17a)의 내표면에 형성되어, 회전 마찰재(18)와 고정 마찰재(16)가 소정의 간격을 두고 이격 형성되어 있다. 고정 마찰재(16)는 베어링 구조체의 외륜의 원주 방향 전체에 형성될 필요는 없고, 일부에 형성될 수 있다. 회전 마찰재(18)는 베어링 구조체의 외륜(17a) 에 형성된 고정 마찰재(16)와 접촉하며 회전한다. 회전 마찰재 (18)와 고정 마찰재 (16)는 서로 반대되는 마찰전기 극성을 가진 재료로 구성되어, 회전체(30)의 회전에 따라서 회전 마찰재(18)와 고정 마찰재(16)가 주기적으로 접촉되었다 분리되었다를 반복하면서 마찰 전기를 수확할 수 있게 된다.
도 1은 일례의 풍력발전기의 개략사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 풍력발전기는 지면에서 적정 높이로 고정되도록 설치되는 타워(tower; 20)의 상단에 너셀부(nacelle; 10)가 회전 가능하게 설치된다. 너셀부(10)에는 2개의 메인 베어링(17)에 체결되어 회전하는 구동축(15)이 구비되고, 구동축(15)의 일단으로 증속기(gear box; 13)와 발전기(11)가 설치된다. 증속기(13)는 발전기 (11)의 입력 축의 회전 속도를 증가시켜 회전수를 증가시키는 기능을 수행한다. 아울러, 너셀부 (10)는 발전기(11), 증속기(13) 및 구동축(15) 등의 내부 구성을 보호하기 위해 씌워지는 커버(19)를 더 포함한다. 그리고 구동축(15)의 타단에는 바람의 힘으로 회전하는 회전체(30)가 설치된다. 회전체(30)는 회전체 허브(31)에 다수의 회전체 블레이드(35)가 설치되어 구성된다.
이와 같은 구성에 의하면, 공기의 운동에너지를 블레이드(35)가 제공받아 회전체(30)가 회전하면 구동축(15)을 통해 운동에너지를 증속기(13)에서 극대화한다. 이어서, 발전기(11)를 통해 전기에너지를 발생시키며 축전장치(미도시) 등에 축전되거나 수요자에게 직접 전달된다. 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 이러한 풍력 발전에 의해서 얻는 에너지 이외에 베어링 구조체(17) 에서 버려지는 마찰 에너지를 사용가능한 전기 에너지로 추가적으로 수확할 수 있다.
베어링 구조체(17)에는 베어링 하우징(도면 부호 미표시)이 구비되며, 베어링 구조체(17)의 내륜(17b)은 구동축(15)의 외주면에 체결되고, 외륜(17a)은 베어링 하우징 내측에 체결된다. 베어링 구조체(17)의 외륜(17a)과 내륜(17b)은 구체나 롤러 등과 같은 전동체를 사이에 두고 서로 대향되도록 설치됨으로써 상대적인 회전이 가능하도록 설치되고, 본 발명의 회전 마찰재(18)는 이러한 전동체에 형성될 수 있다. 풍력에 의해서 회전체(30)가 회전하면, 회전체(30)와 구동축(15)으로 연결되는 회전마찰 발전기의 내륜(17b)이 회전하게 되고 내륜(17b)에 부착된 회전 마찰재(18)도 같이 회전 운동을 한다. 이때 외륜(17a)과 내륜(17b) 사이에 위치한 회전 마찰재(18)는 외륜과 사이의 회전이 용이한 구조 또는 물질로 이루어져 회전체 (30)의 회전 운동을 돕는 일차적 역할을 한다.
상기 회전 마찰재(18)는 볼, 원추롤러, 원통 롤러, 구면 롤러, 침상 롤러, 또는 사각형일 수 있다. 이러한 형태의 회전 마찰재(18)는 상기 베어링 구조체(17)의 내륜(17b)의 전체 면에 형성되고나 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있다.
회전체(30)가 구동축에 대하여 원활하게 회전할 수 있도록 지지하는 베어링 구조체는 세라믹 베어링, 세라믹 하이브리드 베어링, 세라믹 코팅 베어링, 또는 금속베어링을 포함할 수 있다.
상기 회전 마찰재(18)의 소재로는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 나일론, 페놀 수지, 고무, 및 세라믹 중에서 선택되는 절연 소재이거나 또는 주철, 황동, 청동, 카드뮴 합금, 알루미늄 합금, 및 카본 그래파이트 중에서 선택되는 전도성 소재를 사용할 수 있다.
상기 고정 마찰재(16)는 나일론, 페놀 수지, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 종이, 면, 실리콘 고무, 테플론, 폴리디메틸실록산, 카프톤, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 폴리염화비닐로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 발전기(11)는 프로펠러형, 세일-윙(sail-wing)형, 네덜란드형, 다익형, 다리우스(darrieus)형, 자이로-밀(gyro-mill)형, 직선날개 형, 사보니우스 (Savonius)형, 패들형, 크로스-플로우(cross-flow)형, 또는 S형 회전체(S-shape rotor)형 풍력발전기일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 회전 마찰재(18)와 고정 마찰재(16)는 서로 동일하거나 상이한 재료로 구성되고, 마찰대전 서열 (triboelectric series)상에서 서로 다른 재료로 구성된다. 예컨대, 동일하게 합성섬유로 구성되는 경우에 마찰대전 서열이 서로 다른 합성섬유 재료로 구성될 수 있다.
본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 회전체(30)의 회전에 의해 발생되는 기계적인 힘에 의해 회전 마찰재(18)와 고정 마찰재(16)가 서로 마찰되거나 또는 이들 사이의 간격이 변화됨으로써 전기에너지를 발생시킨다. 상기 회전 마찰재(18)는 제1 절연체 또는 금속을 포함할 수 있다. 상기 고정 마찰재(16)는 제1 절연체와 다른 제2 절연체를 포함할 수 있다. 상기 회전 마찰재(18)는 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질로서,
상기 고정 마찰재(16)는 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질로서, 천연섬유 또는 합성섬유로 구성되거나, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄으로 구성되는 군에서 선택되는 폴리머로 구성될 수 있다. 그러나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 상기 회전 마찰재(18)가 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함하고, 상기 고정 마찰재(16)가 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 회전 마찰재(18)와 상기 고정 마찰재(16)는 서로 상대적 대전(charging) 정도의 차이가 큰 물질을 포함할 수도 있다. 상기 회전 마찰재(18)와 상기 고정 마찰재(16) 사이의 간격(ℓ)은 예를 들면 대략 0.1~10 mm 정도가 될 수 있으며, 구체적으로는 0.1~1 mm 정도가 될 수 있다. 그러나 반드시 이러한 범위로 한정되는 것은 아니다.
고정 마찰재(16)는 회전 마찰재(18)와 접촉 또는 비접촉될 수 있도록 하기 위하여 하나 이상의 마찰전극들이 베어링의 외륜(17a)의 내부 둘레를 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통하여 회전 마찰재(18)들은 마찰전극들과 접촉 또는 비접촉 상태를 반복할 수 있다. 마찰전극들과 회전 마찰재(18)들이 서로 접촉 및 비접촉 상태를 반복함으로써 마찰되는 경우에는 마찰전극들과 회전 마찰재 (18)들은 서로 반대의 전하를 갖도록 대전되게 되고 이러한 대전에 의하여 마찰전기가 발생되게 된다.
본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서 회전체(30)를 회전시키는 주위 에너지는 선형 에너지를 회전 에너지로 변환할 수 있는 풍력 또는 수력을 예로 들 수 있다. 다른 실시예에서, 환풍기, 냉각기 등의 팬 형태의 회전체에 적용하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있고, 자동차, 비행기, 트레인, 선박, 헬리곱터 등의 회전하는 회전체에서 소모되는 마찰 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수도 있다.
본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서 회전체(30)는 회전체 허브(31)와 프로펠러 또는 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드(35)로 구성된다. 상기 회전체(30)의 단면적은 가능한 한 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 게팅겐 에어 포일형 등으로 대표되는 비행기에 사용되는 유선형의 에어 포일형으로 형성함이 바람직하다. 이러한 회전체(30)의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 회전체(30)에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 이러한 베어링 타입 에너지 수확 장치에서는 예를 들어, 국지풍 또는 계절풍 등의 바람 또는 터널 내의 차량의 주행풍에 의해 회전체(30)가 회전하게 된다.
본 발명에서 회전체(30)의 블레이드는 섬유강화 플라스틱(FRP, Fiber Reinforced Plastic)으로 제작될 수 있고, 주로 사용되는 섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 세라믹계의 섬유가 사용될 수 있다. 주로 유리섬유를 강화한 GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic)나 탄소섬유 강화 플라스틱을 사용할 수 있는데, 탄소섬유 강화 플라스틱은 무게를 감소시키고 설치비용을 절감시킬 수 있다.
상기 베어링 구조체의 외륜(17a)에 형성되는 전극은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머 전극, 그래핀 전극, 또는 탄소나토튜브 전극이다. 예를 들어, 마찰전극은 ITO, IGO, IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ZnO, ZnO2 또는 TiO2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 무기전극이거나 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 크롬, 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, Co-Cr 합금, Ti 합금, 니티놀(Ni-Ti)중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속전극, 이런 금속을 전기 도금한 텍스타일 전극이거나 폴리에틸렌디옥시티오펜, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리파라페닐렌, 폴리아닐린, 폴리설퍼니트리드, 또는 폴리파라페닐렌 비닐렌 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유기전극일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 상기 고정 마찰재와 상기 마찰전극은 별도로 형성되지 않고, 하나의 구성 요소로 구성될 수도 있다.
본 발명에서 마찰 부재 및 베어링의 외륜은 다양한 재질을 포함할 수 있다. 마찰전극은 고정 마찰재(16)의 상부나 하부에 적층되는 외에, 고정 마찰재(16)의 내부에 형성될 수도 있다. 예를 들어, 마찰전극은 고정 마찰재(16)상에 수평 방향으로 나란한 별도의 층으로 구성되거나 마찰 부재의 내측에 형성될 수도 있다.
본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치의 동작에 대해서 설명한다. 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서는, 회전체(30)가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 회전체 블레이드(35)로 구성되어, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기 유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기 역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 이러한 회전 동력에 의해서 회전하는 베어링 구조체의 내륜에 형성된 회전 마찰재와 외륜에 형성된 고정 마찰재가 서로 다른 마찰전기 극성을 가진 두 물질이 접촉하게 되면 전하 이동이 일어나는 원리를 응용한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 기계적인 힘에 의해 접촉면이 맞닿거나 떨어지게 되는데 이때 접촉면에 쌍극자층과 전압강하가 생겨나고 이로 인해 한쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 전기가 생산된다.
회전 마찰재(18)를 마찰전극을 구성하는 재료인 알루미늄, 철, 구리, 금 등에 비하여 음의 값을 가지는 재료로 구성하게 되면, 회전체(30)의 회전에 의해서 접촉에 의하여 회전 마찰재(18)는 음의 값으로, 고정 마찰재(16)는 양의 값으로 대전되어 마찰전기를 발생시키는데 용이하다.
상기와 같은 구조의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서, 회전체(30)가 풍력, 차량의 주행풍 등의 주위 에너지에 의해서 중심축 둘레로 회전하게 되면, 회전 마찰재(18)와 고정 마찰재(16)가 서로 마찰되거나 회전 마찰재(18)가 회전할 때 마찰전극과의 거리가 가까워지고 멀어지는 과정에서 마찰전극의 전하 밀도의 차이가 발생하여 전자가 마찰전극과 그라운드 사이에서 이동하게 된다. 이 경우 회전 마찰재 (18)와 고정 마찰재(16)에 전하 밀도(charge density)의 차이가 발생하게 됨에 따라 한 쪽 물체의 전자가 다른 물체로 이동하게 되어 회전체(30)와 고정 마찰재(16)사이에는 전기에너지가 생성되고, 마찰전극을 통해서 생성된 전기를 수확하게 된다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에 의해서 구동되는 전자 기기에 관한 것이다. 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 풍력과 같은 주위 에너지를 이용하여 전기 에너지를 수확할 수 있기 때문에, 마이크로 전류를 이용한 의료기기, 블루투스 무선통신 기기, 이동 수송기의 라이트 및 지시등, 도로표지판의 야간 조명, 옥외광고판, 레저용, 캠핑용 조명 등에 다양하게 응용될 수 있다. 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치에서 주위 에너지(예를 들어, 바람, 물의 흐름, 전자기적인 진동 등)에 의해 회전체가 회전되면, 회전 마찰재에서 마찰에 의해 전기에너지를 발생시키고, 이렇게 발생된 전기에너지는 연결된 전자기기에 공급되거나 또는 축전기(10)에 저장될 수 있다. 이때 베어링 타입 에너지 수확 장치는 전자기기의 표면이나 그 내부, 또는 외부에 마련될 수 있다.
회전 블레이드를 3D 프린터로 설계하여 제작한 후, 도 4에 도시된 바와 같은, 원통형 플라스틱 베어링 형태의 마찰전기 발전기를 제작하여 구동축과 함께 결합하였다. 블레이드가 회전할 때 베어링 형태의 마찰전기 발전기에서 발생되는 전압은 오실로스코프를 이용하여 1개의 전극에 오실로스코프의 프로브를 연결하여 풍속별로 측정해 본 결과, 소정 전압의 전기에너지를 수확할 수 있음을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 구체적인 실시예들에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지 및 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 변경 실시될 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 이러한 다양한 변경 및 변형 실시예들도 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 자연에서 발생하는 풍력을 이용한 발전 시스템에 적용되거나, 환풍기 , 냉각기 등의 팬 형태의 회전체에 적용하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있고, 그 밖에 마이크로 전류를 이용한 의료기기, 블루투스 무선통신 기기, 이동 수송기의 라이트 및 지시등, 도로표지판의 야간 조명, 옥외광고판, 레저용, 캠핑용 조명 등에 다양하게 응용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 터널과 같은 압력 차이에 의해서 공기가 유입되고 나가는 공간에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 베어링 타입 에너지 수확 장치는 터널 내부에서 일정 속도 이상으로 주행하는 차량에 의해 발생되는 약한 주행풍을 이용하여 발전을 수행하고, 주행풍을 이용한 발전에 의해 생산된 전기에너지를 이용하여 터널 내의 환풍기를 구동시키거나 조명을 킴으로써 이들을 구동하기 위한 상용전원에 의해 공급되는 전기에너지의 사용을 감소시키게 됨으로써, 전자장치의 구동을 위한 비용을 절감시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
30: 회전체
31: 회전체 허브
35: 회전체 블레이드
11: 발전기
17: 베어링 구조체
17a: 외륜
17b: 내륜
18: 회전 마찰재
16: 고정 마찰재

Claims (10)

  1. 회전체 허브와 회전체 블레이드로 구성되고, 구동축에 결합되어 자유회전되도록 설치된 회전체;
    상기 회전체의 회전축에 연결되어 전력을 발생시키는 발전기;
    상기 회전체를 회전 가능하게 지지하는 베어링 구조체로서, 상기 회전체에 결합되는 외륜과 상기 외륜의 내주면 상에서 회전가능하게 형성되는 내륜을 포함하는 베어링 구조체;
    상기 베어링 구조체의 내륜의 외면에 형성되는 회전 마찰재;
    상기 베어링 구조체의 외륜의 내면에 형성되는 상기 회전 마찰재와 마찰 대전 서열이 상이한 물질로 구성되는 고정 마찰재; 및
    상기 고정 마찰재의 표면 또는 내측에 형성된 마찰 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전 마찰재는 볼, 원추롤러, 원통 롤러, 구면 롤러, 침상 롤러, 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회전 마찰재는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 나일론, 페놀 수지, 고무, 및 세라믹 중에서 선택되는 절연 소재이거나 또는 주철, 황동, 청동, 카드뮴 합금, 알루미늄 합금, 및 카본 그래파이트 중에서 선택되는 전도성 소재인 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베어링 구조체의 외륜에 형성되는 전극은 무기전극, 금속전극, 전도성 폴리머 전극, 그래핀 전극, 또는 탄소나토튜브 전극인 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 전극은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 텅스텐, 철, 백금, 금, 은, 탄탈륨, 티타늄, 팔라듐, 루테늄, 이들의 합금, 탄소나노튜브, 그래핀, ITO(indium tin oxide), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 및 티타늄 나이트라이드 (TiN)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고정 마찰재는 나일론, 페놀 수지, 에틸셀룰로오스, 폴리아미드, 종이, 면, 실리콘 고무, 테플론, 폴리디메틸실록산, 카프톤, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 PVC등 회전 마찰물질과 마찰대전 서열을 고려하여 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발전기는 프로펠러형, 세일-윙(sail-wing)형, 네덜란드형, 다익형, 다리우스(darrieus)형, 자이로-밀(gyro-mill)형, 직선날개 형, 사보니우스(Savonius)형, 패들형, 크로스-플로우(cross-flow)형, 또는 S형 회전체(S-shape rotor)형 풍력발전기인 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 회전체의 회전 블레이드는 에어 포일형, RAF 에어 포일형, 또는 게팅겐 에어 포일형인 것을 특징으로 하는 마찰전기 발생 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 섬유강화 플라스틱(fiber reinforced plastic), 유리섬유 강화 플라스틱(glass fiber reinforced plastics), 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 고정 마찰재와 마찰전극은 하나의 구성요소로 구성되는 것을 특징으로 하는 베어링 타입 에너지 수확 장치.
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