KR20180138521A - 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기를 개시한다.
본 발명에 따르면, 첫째, 타격에 의한 진동력이나 압축력이 발생하지 않는 경우로서, 회전력이 발생하거나 또는 회전력으로 전환이 가능한 경우에, 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지를 회수하는 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기를 제공하는 것이 가능하다. 둘째, 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우와 비교하여 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험을 예방할 수 있다. 셋째, 종래 타격식으로 압전 발전하는 경우에는 바람직하지 못한 파형을 발생하던 것과 달리, 압전 발전으로 발생하는 파형이 정현파 또는 정현파에 가까운 파형, 즉 (+), (-)로 교번하는 파현의 형태로 발생되어서 다양한 확장 가능성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 첫째, 타격에 의한 진동력이나 압축력이 발생하지 않는 경우로서, 회전력이 발생하거나 또는 회전력으로 전환이 가능한 경우에, 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지를 회수하는 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기를 제공하는 것이 가능하다. 둘째, 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우와 비교하여 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험을 예방할 수 있다. 셋째, 종래 타격식으로 압전 발전하는 경우에는 바람직하지 못한 파형을 발생하던 것과 달리, 압전 발전으로 발생하는 파형이 정현파 또는 정현파에 가까운 파형, 즉 (+), (-)로 교번하는 파현의 형태로 발생되어서 다양한 확장 가능성을 갖는다.
Description
본 발명은 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지(차량 통과 후 발생하는 도로의 진동력, 차량 내부의 진동력 등)를 회수하며, 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우와 비교하여 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험을 예방할 수 있고, 종래의 타격식의 경우 임펄스와 같은 발생 파형이 아니라, 발생 파형이 정현파 또는 정현파에 가까운 파형, 즉 (+), (-)파형으로 발생되어서 다양한 확장 가능성을 갖는 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에 관한 것이다.
압전 소자(piezoelectric effect element)는 기계적 응력을 걸면 전압이 발생하고 반대로 전압을 걸면 일그러짐이 발생하는 수정이나 압전 세라믹스 등을 사용한 소자로, 압력을 가하면 전압이 변화하고(압전 효과), 반대로 전압을 가하면 팽창되거나 수축되는 성질을 가진 소자를 말한다.
옛날부터 알려져 있는 수정이나 티탄산바륨을 소결한 압전 세라믹도 있지만, 가장 널리 쓰이고 있는 것은 티탄산 지르콘산납(약하여 PZT)이며, 라이터나 가스 기구의 점화 장치에서 볼 수 있다. 자동차에서는 노크 센서나 각종 압력 센서로 이용되고 있다.
이와 같은 압전 소자를 이용한 다양한 에너지 발생 장치 또는 발전 장치에 대한 개념이 연구개발되고 있다.
출원인 및 출원인의 관계사가 출원한 다양한 기술들이 존재한다. 예를 들어, 특허 제1380538호(2014년 3월 26일 등록)를 보면, "본 발명의 실시예에 따른 압축력을 이용한 압전 하베스팅 시스템은, 압전 물질로 마련되는 압전체; 및 상기 압전체가 부착되는 고정체;를 포함하며, 상기 압전체는 상기 고정체가 압축되는 일면에 부착되어 상기 고정체에 압축력이 가해지는 경우 상기 압전체에 압축력이 가해짐으로써 전기에너지를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 하중 및 타격에 의해 발생되는 외력 중 압축력이 걸리고 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다."라는 기술이 있다. 여기서는 외부의 타격에 의한 진동력이나 압축력을 받은 압전체에 의해서 발전하는 기술이 개시되어 있다.
상술한 특허는 타격에 의한 진동력이나 압축력이 발생하는 경우에는 적용하기 좋은 기술이지만, 타격에 의한 진동력이나 압축력이 발생하지 않는 경우에는 적용되기 어렵다는 문제점이 있다. 나아가 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우에는 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험이 있으며, 압전으로 발전하는 발생 파형이 정현파로 발생되지 않아서 고품질의 전력 생산이 아니라는 문제점을 갖는다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지(차량 통과 후 발생하는 도로의 진동력, 차량 내부의 진동력 등)를 회수하며, 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우와 비교하여 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험을 예방할 수 있고, 종래의 타격식의 경우 임펄스와 같은 발생 파형이 아니라, 발생 파형이 정현파 또는 정현파에 가까운 파형, 즉 (+), (-)파형으로 발생되어서 다양한 확장 가능성을 갖는 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에 따르면, 제 1 자성체부; 및 상기 제 1 자성체부와 비접촉하며, 상기 제 1 자성체부의 구동에 따라서 상호 자력을 주고 받는 제 2 자성체부;를 포함하고, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부는, 각각 직접적 또는 간접적으로 제 2 압전소재 또는 제 1 압전소재에 부착되어 있으며, 상기 제 1 자성체부의 경우는 상기 제 2 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 1 압전소재에서 전기가 발생하거나, 또는 상기 제 2 자성체부의 경우는 상기 제 1 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 2 압전소재에서 전기가 발생한다.
여기서, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부는, 각각 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 원통형 구조를 가지고 있으며, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부의 구동은, 서로에 대해서 전후 왕복 운동, 좌우 왕복 운동, 상하 왕복 운동, 직선 왕복 운동, 회전 운동 중 어느 하나 이상이다.
또한, 상기 제 1 압전 소재 또는 상기 제 2 압전 소재는, 각각 연속하여 2회 이상 변위 또는 변형됨으로써 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재가 2회 이상 연속하여 압전 발전을 하는 구조로 제작된다.
또한, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재에서 발생하는 전기의 파형이 '+'파와 '-'파가 모두 발생하는 파형이다.
또한, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부는, 각각 복수의 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 복수의 원통형 구조를 가지고 있다.
또한, 상기 압전 발전기가 기존의 권선형 발전기를 혼합하여 장착되어 하이브리드형 발전기로 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하여, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부의 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시킨다.
또한, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체는 각각 별도의 모듈로 제작되거나 또는 일체의 모듈로 제작함에 있어서, 상기 모듈 내부의 전기 회로 기능을 저해하거나 망실시키지 않고 또한 상기 모듈 내부의 제반 소재를 부식시키지 않도록, 상기 모듈을 외부의 습기 또는 수분과 완전하게 차폐한 상태에서, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부가 인력과 척력을 이용하여 상기 제 2 압전소재 또는 상기 제 1 압전소재에 비접촉으로 에너지를 발생시키게 한다.
또한, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 반영구적으로 사용할 수 있도록, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 에폭시 또는 폴리머로 몰딩하거나, 또는 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 표면에 도포하여 사용한다.
또한, 단위 면적 또는 부피당 압전 발전량을 증가시키기 위하여, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재 복수 개를 집적하여 에폭시 또는 폴리머로 몰딩한다.
또한, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하는 구조를 취하여, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 중심부가 가압될 때 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 끝단이 자연스럽게 슬라이딩함으로써 외부에서 인가된 에너지에 의한 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 변형의 저해 요인을 최소화한다.
또한, 기계에너지 저장부를 더 포함하여, 상기 기계에너지 저장부에 저장된 에너지를 받아서, 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전을 한다. 이를 통해서 연속적인 압전 발전의 특성이 좋아져서, 발전되는 파형의 품질도 정현파에 가깝게 만들 수 있다.
또한, 상기 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서 발생한 전기에너지를 저장하는 전기에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기계에너지 저장부는, 유압 저장된 에너지 스프링 메카니즘 등을 가질 수 있다.
한편, 상기 제 1 압전소재는, 지그(ZIG) 또는 대상물(10)에 진동 가능하게 장착된 압전소재로서, 상기 제 2 자성체부의 자력(磁力)에 반응하도록 전부 또는 일부가 외부에 노출된 상기 제 1 자성체부(30)에 직접 또는 간접으로 부착되어 배치될 수 있다.
또한, 대상물(200)은 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 1 자성체부(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 제 1 압전소재를 포함하고, 회전체(300)는 상기 대상물의 상기 제 1 자성체부에 자력을 제공하는 제 2 자성체부가 배치되거나 설치된다.
또한, 상기 대상물(200)은 복수 개의 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 1 자성체부(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 복수 개의 제 1 압전소재를 포함하고, 상기 회전체(300)는 상기 대상물의 상기 제 1 자성체부에 자력을 제공하는 복수 개의 상기 제 2 자성체부가 배치되거나 설치될 수 있다.
또한, 상기 회전체(300)의 제 2 자성체부는 상기 제 1 자성체부에 자력을 최대로 제공하는 대응 위치에 배치되거나 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 자성체부의 개수는 상기 지그 또는 상기 대상물(10)에 대한 진동 주파수에 대응하도록 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 압전소재에서 생성된 에너지는, 스프링 또는 탄성부재(40)의 일부 또는 전부를 회로선으로 활용하여, 상기 지그(10) 또는 상기 대상물(200)에 탑재된 전기에너지 저장부로 상기 제 1 압전소재에서 압전 발전된 에너지를 저장하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기는,
첫째, 타격에 의한 진동력이나 압축력이 발생하지 않는 경우로서, 회전력이 발생하거나 또는 회전력으로 전환이 가능한 경우에, 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지를 회수하는 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기를 제공하는 것이 가능하다.
둘째, 종래 타격식으로 압전 발전을 하는 경우와 비교하여 충격이나 타격으로 인한 마모나 파손의 위험을 예방할 수 있다.
셋째, 종래 타격식으로 압전 발전하는 경우에는 바람직하지 못한 파형을 발생하던 것과 달리, 압전 발전으로 발생하는 파형이 정현파 또는 정현파에 가까운 파형, 즉 (+), (-)로 교번하는 파현의 형태로 발생되어서 다양한 확장 가능성을 갖는다.
넷째, 제 2 자성체의 개수는 지그 또는 대상물(10)에 대한 진동 주파수에 대응하도록 선택되어서 압전 발전의 효율을 최대화하는 것이 가능하다.
다섯째, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하여, 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부의 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시키는 것이 가능하다.
여섯째, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부는 각각 별도의 모듈로 제작되거나 또는 일체의 모듈로 제작함에 있어서, 모듈 내부의 전기 회로 기능을 저해하거나 망실시키지 않고 또한 상기 모듈 내부의 제반 소재를 부식시키지 않도록, 상기 모듈을 외부의 습기 또는 수분과 완전하게 차폐한 상태에서, 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부가 인력과 척력을 이용하여 제 2 압전소재 또는 상기 제 1 압전소재에 비접촉으로 에너지를 발생시키는 것이 가능하게 된다.
일곱째, 지금까지 개발된 압전에너지 하베스트의 방식은 외부에서 가해지는 에너지의 충격에 의해 고주파가 많이 발생함으로써 발생된 전기의 충전은 물론 회로에 많은 악영향을 끼치거나 내부 임피던스를 증가시키는 요인이 되었다. 또한 종래의 타격식의 경우, 압전소재의 타격을 위한 장치가 모듈의 대부분을 차지하여 압전소재 집적도 향상에 큰 저해요인이 되었고, 압전소재를 타격함으로 인하여 소재의 수명 단축에도 치명적인 요인이 되어왔다. 1개 이상의 압전소재의 표면에 폴리머를 도포하여 소재를 보호하거나, 본 발명은 비접촉 방식을 채택하여 이와 같은 문제를 근본적으로 해결하는 것이 가능하다.
여덟째, 본 발명에서는 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 압전소재의 중심부를 가압할 때 압전소재의 끝단이 자연스럽게 미끄러지게(슬라이딩) 함으로써 외부에서 인가된 에너지에 의한 압전소재의 변형에 저해 요인을 최소화 또는 제거함으로써 불필요한 에너지 소모를 최소화하고, 이로써 압전 소재의 에너지 변환 효율을 극대화하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서 적용 가능한 단위 하베스터의 일례이다.
도 2는 도 1의 단위 하베스터를 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 6은 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 7은 (a) 수평으로 단면을 잘랐을 때 가장 내부에 실린더 모양의 회전체(R1), 고정자(S1), 회전체(R2), 고정자(S2)를 배치하는 것을 나타낸 것이며, (b) 수직방향으로 다면을 쳤을 때 측면에서 바라본 도면이다.
도 8은 자연력 등에 의한 회전력을 직선 왕복 운동으로 전환하여, 직선 왕복 운동하는 복수의 플레이트(plate)들에 자석을 설치하고, 고정된 복수의 플레이트들에 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하는 것의 일례를 설명한 도면이다.
도 10은 압전소재의 양쪽 끝단이 고정된 경우는 물론이고, 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 외부에너지에 의하여 압전소재가 변형을 일으킬 때 소재의 한쪽 또는 양쪽 끝단이 슬라이드되도록 압전소재를 단층 또는 복층으로 구성하거나 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 단위 하베스터를 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 6은 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다.
도 7은 (a) 수평으로 단면을 잘랐을 때 가장 내부에 실린더 모양의 회전체(R1), 고정자(S1), 회전체(R2), 고정자(S2)를 배치하는 것을 나타낸 것이며, (b) 수직방향으로 다면을 쳤을 때 측면에서 바라본 도면이다.
도 8은 자연력 등에 의한 회전력을 직선 왕복 운동으로 전환하여, 직선 왕복 운동하는 복수의 플레이트(plate)들에 자석을 설치하고, 고정된 복수의 플레이트들에 단위 하베스터를 복수 개 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 실시예를 도시한 것이다.
도 9는 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하는 것의 일례를 설명한 도면이다.
도 10은 압전소재의 양쪽 끝단이 고정된 경우는 물론이고, 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 외부에너지에 의하여 압전소재가 변형을 일으킬 때 소재의 한쪽 또는 양쪽 끝단이 슬라이드되도록 압전소재를 단층 또는 복층으로 구성하거나 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에 따르면, 제 1 자성체부; 및 상기 제 1 자성체부와 비접촉하며, 상기 제 1 자성체부의 구동에 따라서 상호 자력을 주고 받는 제 2 자성체부;를 포함하고, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부는, 각각 직접적 또는 간접적으로 제 2 압전소재 또는 제 1 압전소재에 부착되어 있으며, 상기 제 1 자성체부의 경우는 상기 제 2 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 1 압전소재에서 전기가 발생하거나, 또는 상기 제 2 자성체부의 경우는 상기 제 1 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 2 압전소재에서 전기가 발생한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서 적용 가능한 단위 하베스터의 일례이고, 도 2는 도 1의 단위 하베스터를 적용한 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단위 하베스터(100)는, 지그(ZIG) 또는 대상물(10)에 진동 가능하게 장착된 압전소자로서, 외부의 자력(磁力)에 반응하도록 전부 또는 일부가 외부에 노출된 제 1 자성체부(30)와 상기 자성체부의 이면(裏面)에 배치된 제 1 압전소재(20)로 이루어질 수 있다.
도 1은 설명을 위한 예시이며, 상술한 바와 같이, 제 2 자성체부의 경우에도 제 1 자성체부의 비접촉 자력에 의하여 연속적으로 구동될 수 있도록 하여, 제 2 자성체부와 직접적으로 또는 간접적으로 부착되어 배치된 제 2 압전소재에서 압전 발전이 일어날 수 있다.
제 1 자성체부(30)와 제 1 압전소재(20)는 적층되어 일체로 제조되는 것도 가능하고, 지그(ZIG) 또는 대상물(10)에 대한 진동 이외에 제 1 압전소재(20)와 제 1 자성체부(30) 간의 진동도 발생하게 제 1 자성체부(30)과 제 1 압전소재(20) 간의 탄성 결합도 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 대상물(200)은 제 1 자성체부 및 제 1 자성체부(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 제 1 압전소재를 포함하고, 회전체(300)는 상술한 대상물의 제 1 자성체부에 자력을 제공하는 제 2 자성체부가 배치되거나 설치된다. 상술한 바와 마찬가지로, 제 2 자성체부의 경우에도 제 1 자성체부의 비접촉 자력에 의하여 연속적으로 구동될 수 있도록 하여, 제 2 자성체부와 직접적으로 또는 간접적으로 부착되어 배치된 제 2 압전소재에서 압전 발전이 일어날 수 있다.
회전체(300)에 장착된 제 2 자성체부에 의해서, 척력과 인력이 발생하도록 자력을 제공 받아서, 스프링(40) 등의 탄성부재를 이용하여 제 1 압전소재가 지그 또는 대상물(10)에 대해서 진동 또는 상대 이동하게 된다. 하지만, 40 부재는 스프링 등의 탄성 부재로 국한되는 것은 아니며, 판상의 휨이나 이동(슬라이딩)이 가능한 부재일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 단위 하베스터(100)가 배치되거나 설치된 대상물(stator)(200)과, 단위 하베스터의 제 1 자성체부(30)에 자력을 제공하도록 하는 제 2 자성체부가 배치되거나 설치된 회전체(rotor)(300)를 포함하여 이루어진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 대상물(200)은 복수 개의 상기 제 1 자성체 및 상기 제 1 자성체(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 복수 개의 제 1 압전소재를 포함하고, 회전체(300)는 대상물의 상기 제 1 자성체에 자력을 제공하는 복수 개의 상기 제 2 자성체가 배치되거나 설치될 수 있다.
회전체(300)에는, 하나 이상의 제 2 자성체부가 배치되거나 설치될 수 있으나, 단위 하베스터의 제 1 자성체부(30)에 척력과 인력 등의 자력을 최대한 제공하는 개수의 제 2 자성체부를 배치하는 것이 바람직하다.
여기서, 회전체(300)의 제 2 자성체는 제 1 자성체에 자력을 최대로 제공하는 대응 위치에 배치되거나 설치되는 것이 바람직하다. 나아가, 제 2 자성체의 개수는 지그 또는 대상물(10)에 대한 진동 주파수에 대응하도록 선택되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 제 2 자성체부가 많으면 많을수록 좋은 것이 아니며, 압전소재가 스프링(40) 등의 탄성부재를 이용하여 지그 또는 대상물(10)에 대해서 진동하는 주파수가 높다면, 제 2 자성체부가 많아도 진동을 방해만 할 수도 있다. 따라서, 지그 또는 대상물(10)에 대한 진동 주파수에 대응하는 제 2 자성체부를 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 압전소재에서 생성된 에너지는, 스프링 또는 탄성부재(40)의 일부 또는 전부를 회로선으로 활용하여, 상기 지그(10) 또는 상기 대상물(200)에 탑재된 전기에너지 저장부로 상기 제 1 압전소재에서 압전 발전된 에너지를 저장하는 것이 가능하다.
도 4는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 압전 하베스팅 장치의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다. 회전축 X축에 대해서 회전체(Rotor)(R1, R2, R3, R4, R5)는 고정되어 있어서, X축의 회전에 의해서, R1, R2, R3, R4, R5는 동기화되어서 회전한다. 이에 반해서, 도시되지는 않았지만, 원통과 같은 실린더 구조의 내부에 연결되어서 고정되어 있어서 회전하지 않는, 고정자(stator)(S1, S2, S3, S4)에는 도 1 내지 도 3에서 도시된 단위 하베스터(100)가 하나 이상이 배치되거나 설치되어 있다.
풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지에 의해 회전하는 회전체(rotor)(R1, R2, R3, R4, R5)는 상술한 대상물인 고정자(stator)(S1, S2, S3, S4)에 설치된 단위 하베스터의 제 1 자성체부(30)에 자력을 제공하도록 하는 제 2 자성체부가 배치되거나 설치되어 있다.
도 3과 마찬가지로 회전체(R1, R2, R3, R4, R5)에는, 하나 이상의 제 2 자성부체부가 배치되거나 설치될 수 있으나, 단위 하베스터의 제 1 자성체부(30)에 척력과 인력 등의 자력을 최대한 제공하는 개수의 제 2 자성체부를 배치하는 것이 바람직하다.
도 3에서 설명한 것과 마찬가지로, 이 경우, 스프링(40) 등의 탄성부재를 이용하여 압전소자가 지그 또는 대상물(stator)에 대해서 진동 또는 상대 이동하게 되거나 또는 휨이나 슬라이딩 등의 왕복 운동을 함에 있어서, 그 진동주파수를 고려하여 제 2 자성체부의 개수를 선택하는 것이 바람직하다.
나아가, X축은 회전체(rotor)(R1, R2, R3, R4, R5)를 고정하여 자연력 등에 의해서 회전하는 구조를 제공할 수 있을 정도의 고정력을 가지되, 회전체 간의 상대 이동이 가능하도록 일부 탄성을 가지게끔 설계하는 것도 가능하다.
한편, 회전체와 고정자(대상물)의 개수는 설계 환경이나 조건에 따라 달라질 수 있다.
도 5는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 압전 하베스팅 장치의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다. 도 4와의 차이점은 회전체(rotor)와 고정자(대상물)(stator)를 교대로 배치하여 설계하지 않고, 양단만 회전체(R1, R2)를 구성하고, 나머지 회전체 내부의 고정자(대상물)(stator)(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)를 모두 배치시키는 구성이다. 도 4와 마찬가지로, 도시되지는 않았지만, 원통과 같은 실린더 구조의 내부에 연결되어서 고정되어 있어서 회전하지 않는, 고정자(stator)(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)에는 도 1 내지 도 3에서 도시된 단위 하베스터(100)가 하나 이상이 배치되거나 설치되어 있다. 회전체에 도 4에 도시된 회전체에 설치되는 자성체부보다 자기력이 강한 자성체부를 배치하는 것이 바람직하다.
도 6는 도 1의 단위 하베스터를 복수 개 적용한 압전 하베스팅 장치의 또다른 실시예를 측면에서 도시한 것이다. 도 5와의 차이점은 회전체(R1, R2)와 인접하는 고정자(대상물)에는 단위 하베스터(100)가 배치되지 않는다. 왜냐하면, 회전체(R1, R2)와의 관계에서 돌발적인 상황에서 서로 충돌할 가능성을 고려하여, 더미 고정자(dummy stator)(DS1, DS2)를 배치한 것이다.
도 7은 (a) 수평으로 단면을 잘랐을 때 가장 내부에 실린더 모양의 회전체(R1), 고정자(S1), 회전체(R2), 고정자(S2)를 배치하는 것을 나타낸 것이며, (b) 수직방향으로 단면을 쳤을 때 측면에서 바라본 도면이다. 도 7의 (b)에서는, 회전체(R1, R2)는 위에서 축이 동일하여 축이 회전하면 회전체(R1) 및 회전체(R2)가 동시에 회전하는 것이 가능하며, 고정자(대상물)(S1, S2)는 하부 축에 고정되어 있다. 회전체에는 실린더 표면에 자성체부가 배치되어 있고, 고정자(대상물)(S1, S2)는 단위 하베스터(100)가 배치되어 있다. 이와 같은 형태로만 한정되는 것은 아니며, 회전체의 축방향으로 직선 왕복 운동의 경우도 본 발명의 구동의 한 형태일 수 있다.
도 8은 자연력 등에 의한 회전력을 직선 왕복 운동으로 전환하여, 직선 왕복 운동하는 복수의 플레이트(plate)들에 자석을 설치하고, 고정된 복수의 플레이트들에 단위 하베스터를 복수 개 적용한 압전 하베스팅 장치의 실시예를 도시한 것이다. 자연력 등에 의한 회전력을 크랭크를 이용하여 직선 왕복 운동으로 전환하는 것이 가능하다. 도 8에 도시하지는 않았지만, 도 8의 오른쪽의 고정된 복수의 플레이트도 도 8의 왼쪽의 복수의 플레이트가 직선 왕복 운동을 하는 것과 마찬가지로 직선 왕복 운동을 하는 것이 가능하다. 다만, 상대이동이 발생하게끔 하는 것이 바람직하다.
여기서, 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부는 영구자석, 연자성물질 등 스스로 자력을 띌 수 있거나 또는 외부 자계를 조금만 가해도 강하게 자화되어서 자력을 띌 수 있는 물체이거나 물질의 집합이라면 족하다. 나아가 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부는 전자석으로 이루어질 수도 있다. 하지만, 여기서는 영구자석인 경우를 대표의 예로 하여 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 발전용 재료는 앞에서 기술한 영구자석, 연자성체 이외에 압전소재가 있다. 제 1 압전소재 또는 제 2 압전소재는 통상의 압전소재를 사용하게 된다.
또한, 제 1 자성체부 및/또는 제 2 자성체부는, 각각 복수의 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 복수의 원통형 구조를 가질 수 있다. 여기서 평판형 구조는 원판 행태 또는 다각형판 형태일 수 있다. 원통형 구조는 실린더 구조를 형성될 수 있다. 여기서는 다각형판을 대표의 예로 하여 설명하기로 한다.
압전 발전을 시킬 수 있도록 제작된 판인 발전판은 평판형인 경우에는 다음의 3가지 형태로 제작될 수 있다.
첫째, 1개의 발전용재료를 물리적으로 분리하지 않고 다각형판의 전체 또는 구획으로 나누되 압전소재는 2개 이상으로 구획하여 분리시키며, 각각의 압전소재에는 1개 이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전발전 할 수 있도록 제작하거나,
둘째, 기판에 자성체 및 압전소재를 각각 2개 이상 직ㆍ간접으로 부착시키되, 각각의 압전소재에는 1개 이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전발전할 수 있도록 제작하거나,
셋째, 각 종류의 발전용재료를 기판에 설치할 수 있도록 기판을 발전용재료의 형상에 따라 가공하거나 발전용재료의 형상에 대응되도록 기판 형태의 구조물을 설치하여 발전용재료를 단층 또는 복층으로 부착 또는 근접시키되, 동일 기판에서 구획이 다른 위치에 압전소재를 2개 이상 부착 또는 근접시키고, 각각의 압전소재에는 1개 이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전발전 할 수 있도록 제작할 수 있다.
압전 발전을 시킬 수 있도록 제작된 판인 발전판은 원통형인 경우에는 다음의 3가지 형태로 제작될 수 있다.
첫째, 1개의 발전용재료를 물리적으로 분리하지 않고 통판면 전체 또는 통판면을 구획으로 나누되 압전소재는 2개 이상으로 구획하여 분리시키며, 각각의 압전소재에는 1개 이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전 발전 할 수 있도록 제작하거나,
둘째, 통판면에 자성체 및 압전소재를 각각 2개 이상 직ㆍ간접으로 부착시키되, 각각의 압전소재에는 1개이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전 발전 할 수 있도록 제작하거나,
셋째, 각 종류의 발전용재료를 통판면에 설치할 수 있도록 통판면을 발전용재료의 형상에 따라 가공하거나 발전용재료의 형상에 대응되도록 통판 형태의 구조물을 설치하여 발전용재료를 단층 또는 복층으로 부착 또는 근접시키되, 동일 통판에서 구획이 다른 위치에 압전소재를 2개 이상 부착 또는 근접시키고, 각각의 압전소재에는 1개 이상의 자성체를 부착 또는 근접하여 각각의 압전소재가 압전발전 할 수 있도록 제작한다.
또한, 여기서 사용하는 부착이라는 단어는 발전용 재료를 물리적 또는 화학적 또는 다른 물질로 기판에 붙여 기계적으로 일체화시키는 것을 말하며, 근접이라는 것은 발전용 재료를 직접 또는 간접으로 물리적 영향을 줄 수 있을 정도로 가까이 설치하도록 하는 것을 의미한다. 또한, 직접은 바로 접촉하는 것을, 간접은 직접 접촉은 아니지만, 매개체나 매개층을 통해서 접하거나 영향을 주는 경우를 말한다.
여기서, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부는, 각각 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 원통형 구조를 가지고 있으며, 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부의 구동은, 서로에 대해서 전후 왕복 운동, 좌우 왕복 운동, 상하 왕복 운동, 직선 왕복 운동, 회전 운동 중 어느 하나 이상이다.
여기서 전후 왕복 운동, 좌우 왕복 운동, 상하 왕복 운동, 직선 왕복 운동, 회전 운동은 상대적 운동으로 연속적인 압전 발전이 일어나게 할 수 있는 운동을 말한다. 종래 타격식의 1회적이거나 불규칙적인 환경이 아니라, 연속적인 운동이 가능한 상대 이동이 일어나는 것을 말한다. 이를 통해서 종래 타격식 압전 발전에서의 임펄스 파형과 달리 정현파 또는 정현파에 가까운 파형이 발생될 수 있게 된다. 즉, 제 1 압전소재 또는 제 2 압전소재에서 발생하는 전기의 파형이 '+'파와 '-'파가 모두 발생하는 파형이다. 도 2 및 도 3에서는 회전 운동을 전제로 예시한 것이다. 도 2 및 도 3에 한정되지 않고, 다양하게 전후 왕복 운동이나, 좌우 왕복 운동이나, 상하 왕복 운동 등의 직선 왕복 운동(도 8에서는 한쪽만 이동하지만, 양쪽 모두 이동하는 것도 가능함)도 포함할 수 있으며, 실린더 구조를 가진 2개의 원통판이 회전 운동할 수 있다. 물론 실린더 구조를 가지는 2개의 원통판이 직선 왕복 운동으로 상대 운동을 하는 것도 당연히 가능하다.
다시 말해, 원통판의 경우, 통판의 길이 방향으로 통판이 평행하게 움직이거나 통판의 단면의 중심을 축으로 통판이 회전하는 등의 직선 운동과 곡선 운동을 개별 또는 조합하여 움직일 수 있다. 원통판의 발전통의 직경이란 발전통 단면의 지름 또는 대각선 길이를 말한다.
또한, 제 1 압전 소재 또는 제 2 압전 소재는, 각각 연속하여 2회 이상 변위 또는 변형됨으로써 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재가 2회 이상 연속하여 압전 발전을 하는 구조로 제작된다.
또한, 상기 압전 발전기가 기존의 권선형 발전기를 혼합하여 장착되어 하이브리드형 발전기로 사용될 수 있다.
한편, 도 9는 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하는 것의 일례를 설명한 도면이다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 1개 고정자의 단위 하베스터 8개를 2개의 고정자로 분리한 다음 각각 8개의 단위 하베스터를 배치한 다음, 이것을 다시 자성체부의 자력의 최대값이 서로 엇갈리게 배치한다. 가장 왼쪽의 고정자의 자성체부의 위치(붉은 색 표시)가 왼쪽에서 3번째 배치되어 있는 고정자의 자성체부 사이에 위치하게끔 하여(붉은 색 표시 참조), 즉 자력의 최대값이 서로 엇갈리게 배치하였다. 이를 통해서, 큰 봉우리 및 큰 골짜기의 자력을, 1/2 크기의 봉우리 2개 및 1/2 크기의 골짜기 2개로 분할하는 것이 가능하다.
이와 같이 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 제 1 자성체부 및 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하여, 제 1 자성체부 또는 제 2 자성체부의 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시킨다.
실제로 큰 봉우리 및 큰 골짜기의 자력으로 구성된 경우에는 자력의 세기로 인해서 제대로 회전하지 못하는 문제를 가지고 있으나, 1/2 크기의 봉우리 2개 및 1/2 크기의 골짜기 2개로 분할하는 경우 좀 더 손쉽게 회전이 이루어져, 즉 최소의 에너지로 구동이 되게 하여 발전효율을 향상시킬 수 있었다.
또한, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체는 각각 별도의 모듈로 제작되거나 또는 일체의 모듈로 제작함에 있어서, 상기 모듈 내부의 전기 회로 기능을 저해하거나 망실시키지 않고 또한 상기 모듈 내부의 제반 소재를 부식시키지 않도록, 상기 모듈을 외부의 습기 또는 수분과 완전하게 차폐한 상태에서, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부가 인력과 척력을 이용하여 상기 제 2 압전소재 또는 상기 제 1 압전소재에 비접촉으로 에너지를 발생시키게 한다.
지금까지 개발된 압전에너지 하베스트의 방식은 외부에서 가해지는 에너지의 충격에 의해 고주파가 많이 발생함으로써 발생된 전기의 충전은 물론 회로에 많은 악영향을 끼치거나 내부 임피던스를 증가시키는 요인이 되었다. 또한 종래의 타격식의 경우, 압전소재의 타격을 위한 장치가 모듈의 대부분을 차지하여 압전소재 집적도 향상에 큰 저해요인이 되었고, 압전소재를 타격함으로 인하여 소재의 수명 단축에도 치명적인 요인이 되어왔다.
이 때 1개 이상의 압전소재의 중심부에 스페이서를 밀착 또는 부착하여 단층 또는 복층으로 압전소재부를 제작하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이, 1개 이상의 압전소재의 표면에 폴리머를 도포하여 소재를 보호하거나, 폴리머를 사용하여 압전소재를 단층 또는 복층으로 몰딩하여 블록형태로 제작하여 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 반영구적으로 사용할 수 있도록, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 에폭시 또는 폴리머로 몰딩하거나, 또는 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 표면에 도포하여 사용한다.
또한, 단위 면적 또는 부피당 압전 발전량을 증가시키기 위하여, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재 복수 개를 집적하여 에폭시 또는 폴리머로 몰딩한다.
한편, 도 10은 압전소재의 양쪽 끝단이 고정된 경우는 물론이고, 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 외부에너지에 의하여 압전소재가 변형을 일으킬 때 소재의 한쪽 또는 양쪽 끝단이 슬라이드되도록 압전소재를 단층 또는 복층으로 구성하거나 제작하는 방법을 도시한 도면이다.
도 10의 2번째 및 3번째에 도시된 바와 같이, 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 한쪽 끝단(도 10의 2번째) 또는 양쪽 끝단(도 10의 3번째)을 개방형으로 하는 구조를 취하여, 제 1 압전소재 또는 제 2 압전소재의 중심부가 자력에 의해서 가압될 때 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 끝단이 자연스럽게 슬라이딩함으로써 외부에서 인가된 에너지에 의한 제 1 압전소재 또는 제 2 압전소재의 변형의 저해 요인을 최소화한다.
즉, 그 동안 압전에너지 하베스트의 출력을 향상시키기 위하여 주로 사용했던 압전소재 양단 고정식(cantilever식)의 경우 소재의 양단을 고정함으로써 소재에 인가된 외부에너지에 대하여 소재의 변형을 크게 저해하는 불필요한 요인이 되었고, 이로 인하여 외부에서 인가되는 에너지를 전기에너지로 변환시킴에 그 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 되었다.
본 발명에서는 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 압전소재의 중심부를 가압할 때 압전소재의 끝단이 자연스럽게 미끄러지게(슬라이딩) 함으로써 외부에서 인가된 에너지에 의한 압전소재의 변형에 저해 요인을 최소화 또는 제거함으로써 불필요한 에너지 소모를 최소화하고, 이로써 압전 소재의 에너지 변환 효율을 극대화하였다.
본 발명에 따른 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서, 도 2 또는 도 3의 회전체(300)는, 풍력, 조력, 수력 등의 각종의 자연력, 또는 기존에 회수되지 않고 소멸해 버리는 미활용의 인공적인 에너지에 의해 회전하게 되며, 그 회전력을 본 장치가 회수하게 된다.
이 때, 본 발명에 따른 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에 바로 접속되어서 압전 발전(기계에너지를 전기에너지로 변환하는 기계-전기에너지 변환부)을 할 수도 있지만, 앞단에 기계에너지를 저장하는 기계에너지 저장부를 더 포함하여, 상기 기계에너지 저장부에 저장된 에너지를 받아서, 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전을 한다. 이를 통해서 연속적인 압전 발전의 특성이 좋아져서, 발전되는 파형의 품질도 정현파에 가깝게 만들 수 있다.
예를 들어, 기계에너지 저장부는, 유압 저장된 에너지 스프링 메카니즘을 가질 수 있다. 또는 도로(이동로, 고속도로, 철도 등)를 통과하는 차량의 하중에 의한 진동 등의 기계에너지를 유압이나 공압의 형태로 저장하는 구성을 채택하는 것이 가능하며, 바로 뒤이어서 본 발명의 비접촉 연속 압전 발전부와 접속되게 하는 것이 가능하다.
또한, 상기 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서 발생한 전기에너지를 저장하는 전기에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 출원은 대한민국 특허출원 제10-2017-78451호(2017.06.21.출원, 발명의 명칭 : 영구자석을 이용한 압전 발전기) 및 대한민국 대한민국 특허출원 제10-2017-0164515호(2017.12.01.출원, 발명의 명칭 : 양단 슬라이드형 및 블럭형 압전에너지하베스트 모듈)의 국내우선권을 주장하며, 해당 명세서의 내용을 참조한다.
다음의 내용을 예비적으로 청구합니다.
(특허청구범위1)
청구항 1. 압전발전기 제작
2개 이상의 발전판을 이웃하게 나란히 배치하여 상호 자력의 영향을 주고 받을 수 있도록 하되, 구동시 발전판에 설치된 압전소재에 영구자석의 자력이 직ㆍ간접으로 영향을 주어 각 압전소재가 연속하여 2회 이상 변위 또는 변형됨으로써 각 압전소재가 2회 이상 연속하여 압전 발전을 하는 구조로 제작한다.
청구항 2. 상기 청구항 1항에서 구동시 2개 이상의 발전판에 영구자석의 자력을 2회 이상 직ㆍ간접으로 작용하게 함으로써 발전판의 각 압전소재가 연속 2회 이상 변형되어 압전 전기를 2회 이상 연속으로 발생시키는 방법의 장치 또는 부품(각 소재 연속발전 항)
청구항 3. 상기 청구항 1항에서 구동시 발전판의 압전소재에 직ㆍ간접으로 부착되거나 근접된 자성체와 이웃한 다른 발전판에 부착 또는 근접된 자성체가 상호 인력 또는 척력이 작용함으로 인하여 압전소재를 앞면과 뒷면으로 밀거나 당겨 변형시킴으로써 압전소재에서 나오는 1차 전기의 파가 ‘+’파와 ‘-‘파가 모두 발생하도록 하는 방법의 장치 또는 부품(압전소재 양면 발전 항)
청구항 4. 상기 청구항 1항에서 2개 이상의 발전판을 이웃하게 배열하여 2개 이상의 발전판에 있는 압전소재가 각각 전기를 발생시키는 방법의 장치 또는 부품(복수 발전판 구조 항)
청구항 5. 상기 청구항 1항에서 압전 발전된 전기의 파의 형상이나 주파수를 제어하는 방법으로 발전판의 자성체의 숫자, 형상, 자성체의 자극 수를 변경시키거나 또는 발전판의 압전소재의 숫자, 형상을 변경시키거나 또는 발전판의 구동 속도를 변경시키거나 또는 이들을 조합한 방법으로 압전소재의 발전 속도를 제어하거나 또는 압전 발전된 전기의 주파수를 제어하거나 또는 압전 발전된 전기 파형에 포함된 고주파 성분을 제어하거나 또는 압전 발전된 전기의 파형을 제어하는 방법의 장치 또는 부품(전기 파형 및 주파수 제어 항)
청구항 6. 상기 청구항 1~5항에 대하여 자동변속기를 사용하여 외부의 에너지 크기에 따라 발전판의 구동 숫자를 조절함으로써 발전판의 압전소재가 발전에 참여하는 숫자를 제어하거나 또는 압전 발전 전기량을 조절하는 방법의 장치 또는 부품(에너지량에 따른 차등 발전 항)
청구항 7. 상기 청구항 1~6항에 의한 압전발전기와 기존의 권선형 발전기를 혼합하여 하이브리드형 발전기로 사용하는 방법의 장치 또는 부품(하이브리드 발전 항)
청구항 8. 상기 청구항 1항에서 2개 이상의 발전판에 부착 또는 근접되어 있는 영구자석의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써 각 발전판이 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 함으로써 발전판 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시키는 구조의 장치 또는 부품(자력 평형 항)
(특허청구범위2)
청구항 1. 발전통의 제작
직경이 각각 다른 2개 이상의 발전통을 내?외측에 겹쳐서 설치하되, 직경이 큰 발전통을 외측에, 직경이 작은 발전통을 내측의 순으로 평행하게 설치하여 구동함으로서 서로 다른 발전통이 상호 자력을 주고 받아 압전소재를 변형시키는 구조로 제작한다.
청구항 2. 상기 청구항 1항에서 발전통이 구동됨에 따라 하나의 발전통의 자성체의 자력이 다른 발전통의 자성체와 상호 자력을 주고 받음으로써 발전통의 각 압전소재를 연속 2회 이상 변형시키고 이로써 각 압전소재가 압전 전기를 2회 이상 연속으로 발생시키는 방법의 장치 또는 부품(연속발전 항)
청구항 3. 상기 청구항 1항에서 발전통이 구동됨에 따라 하나의 발전통의 자성체의 자력이 다른 발전통의 자성체에 대하여 인력과 척력의 자력을 주고 받아 발전통의 각각의 압전소재의 앞면과 뒷면을 밀거나 당겨 변형시킴으로써 각각의 압전소재에서 나오는 1차 전기의 파가 ‘+’파와 ‘-‘파가 모두 발생하도록 하는 방법의 장치 또는 부품(압전소재 양면발전 항)
청구항 4. 상기 청구항 1항에서 발전통의 직경에 따라 내측과 외측에 2개 이상 차례로 나란히 이웃하게 연이어 배열하여 구동되도록 함으로써 2개이상의 발전통의 각각의 압전소재를 변형시킴으로써 각각의 발전통의 각각의 압전소재에서 동시에 전기를 발생시키는 방법의 장치 또는 부품(복수 발전통 구조 항)
청구항 5. 발전통에서 발생하는 압전 전기의 파의 형상이나 주파수를 제어하는 방법으로 상기 청구항 1항에서 발전통의 자성체의 숫자, 형상, 영구자석의 자극 수를 변경시키거나 또는 발전통의 압전소재의 숫자, 형상을 변경시키거나 또는 발전통의 구동 속도를 변경시키거나 또는 이들을 조합한 방법으로 압전소재의 발전 속도를 제어하거나 또는 압전 발전된 전기의 주파수를 제어하거나 또는 압전 발전된 전기의 파에 포함된 고주파 성분을 제어하거나 또는 압전 발전된 전기의 파형을 제어하는 방법의 장치 또는 부품(전기 파형 및 주파수 제어 항)
청구항 6. 상기 청구항 1~5항에 대하여 자동변속기를 사용하여 외부의 에너지 크기에 따라 발전통의 구동 숫자를 조절함으로써 발전통의 압전소재가 발전에 참여하는 숫자를 증가시키거나 감소시켜 압전 전기 발생량을 조절하는 방법의 장치 또는 부품(에너지량에 따른 차등 발전 항)
청구항 7. 상기 청구항 1~6항에 의한 압전발전기와 기존의 권선형 발전기를 혼합하여 하이브리드형 발전기로 사용하는 방법의 장치 또는 부품(하이브리드 발전 항)
청구항 8. 상기 청구항 1항에서 2개 이상의 발전통에 부착 또는 근접되어 있는 영구자석의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써 각 발전통이 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 함으로써 발전통 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시키는 구조의 장치 또는 부품(자력 평형 항)
(특허청구범위3)
청구항1. 1개 이상의 압전소재의 중심부에 스페이서를 밀착 또는 부착하여 단층 또는 복층으로 압전소재를 구성하여 사용하는 방법(스페이서 일체형)
청구항2. 1개 이상의 압전소재의 표면에 폴리머를 도포하여 소재를 보호하거나, 폴리머를 사용하여 압전소재를 단층 또는 복층으로 몰딩하여 블록형태로 제작하여 사용하는 방법(몰딩, 블럭형)
청구항3. 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하여 외부에너지에 의하여 압전소재가 변형을 일으킬 때 소재의 한쪽 또는 양쪽 끝단이 슬라이드 되도록 압전소재를 단층 또는 복층으로 구성하거나 제작하는 방법(소재 끝단 슬라이드형)
청구항4. 자력의 인력과 척력을 이용하여 압전에너지하베스트 모듈의 외부와 내부에 비접촉 방식으로 에너지를 주고 받을 수 있도록 하는 방식 (비접촉 동력전달)
청구항5. 상기 4항의 자력의 인력과 척력을 이용하여 압전에너지하베스트 모듈 내부를 외부와 차폐(쉴링)하는 방법 (모듈 차폐)
청구항6. 상기 1~5항에 의한 방법으로 압전소재 또는 압전에너지하베스트 모듈의 내구성을 향상시키는 방법 (내구성 향상)
청구항7. 상기 1~5항에 의한 방법으로 압전소재의 압전 출력을 향상시키는 방법 (출력향상)
청구항8. 상기 1~5항에 의한 방법으로 압전소재의 출력에서 고주파를 최소화하는 방법(고주파 최소화)
청구항9. 상기 1~5항에 의한 방법으로 단위 면적 또는 단위 체적당 압전소재의 집적도를 향상시키는 방법 (집적도 향상)
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (20)
- 제 1 자성체부; 및
상기 제 1 자성체부와 비접촉하며, 상기 제 1 자성체부의 구동에 따라서 상호 자력을 주고 받는 제 2 자성체부;를 포함하고,
상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부는, 각각 직접적 또는 간접적으로 제 2 압전소재 또는 제 1 압전소재에 부착되어 있으며,
상기 제 1 자성체부의 경우는 상기 제 2 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 1 압전소재에서 전기가 발생하거나, 또는 상기 제 2 자성체부의 경우는 상기 제 1 자성체부의 비접촉 자력에 의한 연속적 구동으로 상기 제 2 압전소재에서 전기가 발생하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부는, 각각 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 원통형 구조를 가지고 있으며,
상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부의 구동은, 서로에 대해서 전후 왕복 운동, 좌우 왕복 운동, 상하 왕복 운동, 직선 왕복 운동, 회전 운동 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 압전 소재 또는 상기 제 2 압전 소재는, 각각 연속하여 2회 이상 변위 또는 변형됨으로써 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재가 2회 이상 연속하여 압전 발전을 하는 구조로 제작되는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재에서 발생하는 전기의 파형이 '+'파와 '-'파가 모두 발생하는 파형인 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부는, 각각 복수의 평판형 구조를 가지고 있거나 또는 복수의 원통형 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 압전 발전기가 기존의 권선형 발전기를 혼합하여 장착되어 하이브리드형 발전기로 사용되는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부의 자력의 세기 또는 N극과 S극의 인력과 척력을 조절 또는 조합함으로써, 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체부가 상호 자력의 평형을 이루어 상쇄되게 하거나, 또는 구동축에 인가하는 모듈 전체에 자력의 총합이 전체 구동 구간에 걸쳐서 고르게 분산되도록 설계하여, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부의 구동시 최소의 에너지로 구동이 되게 하고 발전효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 자성체부 및 상기 제 2 자성체는 각각 별도의 모듈로 제작되거나 또는 일체의 모듈로 제작함에 있어서, 상기 모듈 내부의 전기 회로 기능을 저해하거나 망실시키지 않고 또한 상기 모듈 내부의 제반 소재를 부식시키지 않도록, 상기 모듈을 외부의 습기 또는 수분과 완전하게 차폐한 상태에서, 상기 제 1 자성체부 또는 상기 제 2 자성체부가 인력과 척력을 이용하여 상기 제 2 압전소재 또는 상기 제 1 압전소재에 비접촉으로 에너지를 발생시키게 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 반영구적으로 사용할 수 있도록, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재를 에폭시 또는 폴리머로 몰딩하거나, 또는 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 표면에 도포하여 사용하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 9 항에 있어서,
단위 면적 또는 부피당 압전 발전량을 증가시키기 위하여, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재 복수 개를 집적하여 에폭시 또는 폴리머로 몰딩하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 한쪽 끝단 또는 양쪽 끝단을 개방형으로 하는 구조를 취하여, 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 중심부가 가압될 때 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 끝단이 자연스럽게 슬라이딩함으로써 외부에서 인가된 에너지에 의한 상기 제 1 압전소재 또는 상기 제 2 압전소재의 변형의 저해 요인을 최소화하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 11 항에 있어서,
기계에너지 저장부를 더 포함하여,
상기 기계에너지 저장부에 저장된 에너지를 받아서, 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전을 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 12 항에 있어서,
상기 자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기에서 발생한 전기에너지를 저장하는 전기에너지 저장부를 더 포함하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 13 항에 있어서,
상기 기계에너지 저장부는, 유압 저장된 에너지 스프링 메카니즘을 갖는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 압전소재는, 지그(ZIG) 또는 대상물(10)에 진동 가능하게 장착된 압전소재(20)로서, 상기 제 2 자성체부의 자력(磁力)에 반응하도록 전부 또는 일부가 외부에 노출된 상기 제 1 자성체부(30)에 직접 또는 간접으로 부착되어 배치된 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 15 항에 있어서,
대상물(200)은 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 1 자성체부(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 제 1 압전소재를 포함하고,
회전체(300)는 상기 대상물의 상기 제 1 자성체부에 자력을 제공하는 제 2 자성체부가 배치되거나 설치된 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 16 항에 있어서,
상기 대상물(200)은 복수 개의 상기 제 1 자성체부 및 상기 제 1 자성체부(30)의 직접 또는 간접으로 부착된 복수 개의 제 1 압전소재를 포함하고,
상기 회전체(300)는 상기 대상물의 상기 제 1 자성체부에 자력을 제공하는 복수 개의 상기 제 2 자성체부가 배치되거나 설치된 것을 특징으로 하는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 17 항에 있어서,
상기 회전체(300)의 제 2 자성체부는 상기 제 1 자성체부에 자력을 최대로 제공하는 대응 위치에 배치되거나 설치된,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 자성체부의 개수는 상기 지그 또는 상기 대상물(10)에 대한 진동 주파수에 대응하도록 선택되는,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
- 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 압전소재에서 생성된 에너지는, 스프링 또는 탄성부재(40)의 일부 또는 전부를 회로선으로 활용하여, 상기 지그(10) 또는 상기 대상물(200)에 탑재된 전기에너지 저장부로 상기 제 1 압전소재에서 압전 발전된 에너지를 저장하는 것이 가능한,
자력을 이용한 비접촉 연속 압전 발전기.
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