KR20190057831A

KR20190057831A - 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술

Info

Publication number: KR20190057831A
Application number: KR1020170155220A
Authority: KR
Inventors: 김준구
Original assignee: 김준구
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-29

Abstract

본 고안의 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술은 소음이 공기를 통하여 전달된 파동이 진동 혹은 압전의 형태로 운동에너지로 전환하는 것을 이용하여 소리가 나는 공간 속에 공기와 함께 진동할 진동판을 사이에 두면 이 진동판의 진동판이 역학에너지로 일을 하거나 터빈을 돌리게 하면 소리에너지는 진동에너지나 운동에너지로 전환하게 되어 버려지는 소음이 에너지로 전환할 수 있는 하베스팅 기술을 제안하게 된다. 길거리에서 채집된 소음이 생산한 전기로 크게는 전기차를 충전할 수 있는 전기충전소, 작게는 핸드폰 충전 등의 용도로도 간편하게 사용할 수 있는 가능성을 제안한다.

Description

버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술{Energy harvesting technology that converts abandoned noise into energy source}

본 발명은 소음을 에너지원으로 전환하는 방법에 관한 것으로서, 일정 데시벨 이상의 소음이 지속적으로 발생하면 그 소음이 운동에너지로 전환하여 전기에너지를 생산할 수 있는 방법을 제시한다. 소음이 전기에너지로 전환되어 도로에서 전기충전을 할 수 있는 시스템으로 발전한다면 일정한 소음이 공해로만 인식되지 않고 버려지는 소음이 에너지 하베스팅 기술로 제안될 수 있는 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술에 관한 것이다.

많은 대도시가 소음에 시달리고 있다. 자동차 경적과 사이렌, 낮게 비행하는 항공기, 빈번하게 주변에 일어나는 공사장, 최근 들어 심각한 문제로 떠오르는 층간소음까지 현실적으로 다 차단할 수 없는 것이 현실이다. 방음창과, 방음벽, 소음측정기 설치, 법제도 보완으로 소음강도와 데시벨을 낮추려고 하는 시도가 일어나고 있으나 문제를 근본적으로 해결하기는 불가능한 것이 현실이다.

인류의 에너지 사용의 역사를 보면 불·물·바람 등에서 석탄·석유·천연가스등의 내연기관에서 발전기로 이어져왔다. 새로운 에너지 전환장치가 개발될 때마다 에너지 사용량이 증가되어 왔고, 발전된 현재의 에너지 또한 공해와 환경오염으로 인해 생활환경에서 발생하고 버려지는 소모적 에너지를 활용하는 에너지 하베스팅에 대한 방법이 강구되고 있다

대한민국 특허청 등록특허공보 제10-1025562호

-박준철, 김윤신, 강대준, 도로교통소음의 전파특성 및 영향, 한국환경보건학지34(4),(2008) -김재철, 구동회, 문경호, 한국형 고속철도의 소음/진동 특성에 관한 연구, 한국소음진동공학회 2001년도 추계학술대회 논문집, (2001), -조병완, 김현식, 김경태, 윤광원, 녹색사회기반시설의 소음에너지 하베스팅을 위한 기초실험 연구, 한국전산구조공학회 논문집 제23권 제5호, (2010.10) - 김상우, 이수진, 황영목, 압전에너지 하베스팅 기술동향 및 전망, 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소, (2013), -배명진, 김명숙, 배명진 교수의 소리로 읽는 세상, 김영사,(2015) -금동화 외 8인, KIST한국과학기술연구원, KIST가 바라본 과학기술전망, (주)동아사이언스, (2013) -유재영, 김기열, 손은화, 압전 세라믹스, kisti한국과학기술정보연구원, 심층정보분석보고서, (2002) -E. Venkatragavaraj, B. Satish, P. R. Vinod, M. S. Vijaya, J. Phys. D, Appl. Phys, (2001) -양영모, 조행묵, 박대호, 오승연, 헬름홀츠 공명기를 이용한 저주파 흡기소음 저감, 한국정밀공학회 2016년도 추계학술대회논문집, (2016), 특별세션p15 -권병진, 조충희, 박광춘, 오일권, 헬름홀츠 공명기들로 구성된 음향 메타물질의 파동전파 특성, 한국소음진동공학회논문집 제23권 제2호,(2013) -이일재, 누출이 헬름홀츠 공명기의 소음저감 특성에 미치는 영향, 한국소음진동공학회논문집 제19권 제6호, (2009) -양혜미, 염경미, 이종수, 헬름홀츠 공명기 효과에 따른 원형 진동판의 진폭 변화량 분석, 대한기계학회 CAE 및 응용역학 부문 춘계학술대회 논문집 KSME14CA -Fr03C-2, (2014)

본 고안은 상기 제시한 문제를 해결하기 위해 버려지는 소음을 효과적으로 채집하고 그 채집된 소음을 에너지원으로 전환시켜 소음이 일으키는 파동을 진동에너지 즉 운동에너지로 전환시켜 운동에너지가 전기에너지로 전환하기 위한 효과적인 방법을 제안하고자 한다.

소리 또는 음(音)은 공기 속을 전해오는 파동으로 매질의 진동을 통해 전달되는 종파의 에너지이다. 매질인 공기를 통해 생기는 음압으로 외력이 발생한다.

음압은 소음에너지의 크기를 중요하는 중요요소로 음파를 전달하는 매질인 공기압력이 발생한다. 소음에너지 하베스팅을 위한 소음발전실험에서는 음파의 압력에 따라 움직이는 얇은 막으로 형성된 진동판으로 소음발전 디바이스를 이용하여 진동수와 음압에 따른 전압 및 전력의 변화를 보고, 스피커의 볼륨(음압)을 유지한 상태에서 함수생성기(Function Generator)의 볼륨을 5%에서 50%까지 5%의 비율로 일정하게 올리면서 관찰한 결과 볼륨의 증가에 따라 전압이 선행적으로 비래하여 증가한다는 것을 확인하도록 한다.

음파는 상부의 전극을 진동시키며 수직적으로 배열된 아연 산화물 나노와이어를 통해 전기에너지가 발생하게 된다. 이 나노 발전기로 100 데시벨의 소리가 주어졌을 때 나노발전기로부터 약 50 mV의 AC 전압이 출력됨을 확인되었다.

본 고안은 진동막을 통해 도입된 음파가 기판에 의해 공명하도록 하며, 기판에 부착된 미세 코일 내부를 마이크로 자석이 이동하도록 하여 다양한 주파수 대역에서 발전이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 고안은 헬름홀츠 공명기의 모양처럼 격자의 겹치는 방음창과 방음틀 사이에 진동판을 설치하여 소리를 흡읍하게 하면 바깥쪽으로 소리가 나지 않으면서 소리를 수확할 수 있으며 이것이 진동판을 통해 전기에너지로 전환이 가능하다. 이러한 방식은 일정 소음의 특정 진동수에서 최고음압을 나타내고 이 소음에너지가 해당 진동수에서 효과적으로 전기를 생산할 수 있는 발전장치를 작동할 수 있다. 이로써 길거리에서 채집된 소음이 생산한 전기로 크게는 전기차를 충전할 수 있는 전기충전소, 작게는 핸드폰 충전 등의 용도로도 간편하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

도1은 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술의 개념도

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다.

본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 고안의 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술은 소리를 흡읍하는 진동막(21), 자석의 세기를 조절하는 코일(22), 진동막과 고정되며, 코일과 결합하여 전자석으로 구성되게 하며 전기의 흐름 시간을 지속하게 하는 자석(23),마이크로 프레임과 공명기의 역할을 하는 공명프레임(24)을 포함한다.

소리(음파)의 진동(파동)은 압전에너지 하베스팅 소자가 전기에너지를 만들 때 필요한 에너지원이 된다. 자동차에어백, 카메라 오토포커싱 장치, 초음파 진단기에는 압력을 가하면 전기가 나오고 전기를 흘리면 진동하는 압전체가 들어있는 공통점이 있다.

진동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전효과는 전기를 발생시킬 수 있는 새로운 기술로 떠오르고 있다. 압전물질의 민감도가 높기 때문에 작은 진동까지 감지할 수 있으며 이 진동을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.

압전소재는 압력이 가해졌을 때 전기를 발생시키고, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 전환이 가능하다. 진동을 전기에너지로 전환되는 원리로 가속도 센서, 가청 영역의 소리를 전기에너지와 상호 전환할 수 있는 원리로 레코드 디스크 픽업, 스피커, 마이크로폰, 버저 등의 소자로 이용되고 있다. 응용영역이 넓은 압전소재는 앞으로도 에너지자원의 고에너지, 고성능화로 여러 분야에 큰 발전을 이룰 수 있는 소재분야라고 볼 수 있다.

스피커는 오디오의 전기에너지를 공기떨림의 소리 음향에너지로 변환하는 장치이다. 전기를 자석이 있는 코일에 흐르게 하면 전류방향에 따라 진동판을 당기거나 밀어 공기의 순간압력을 변화시켜 음파를 발생시킨다. 스피커의 원리를 바꿔보면 큰 소리에너지가 스피커 진동판인 콘지에 소리압력파가 전달되면 진동판이 떨리고, 그곳에 붙어 있는 코일이 자석 속에서 소리를 따라 움직이면 소리의 크기에 비례하는 전기가 발생하게 된다.

음향스튜디오 설계에 많이 사용하는 얇은 막의 흡수재를 사용한 베이스트랩이 사용된다. 그 중에 심한 정상파를 없애는 방법으로 헬름홀츠 공명기가 제안되고 있다. 슬레이트 타입의 헬름홀츠 공명기가 내부공기의 진동이 흡음재가 되는 구멍을 통해 소리를 흡수하고, 여기에 발전된 루버창틀은 안쪽이 흡수면, 바깥쪽이 반사면이 되어 소리의 진동을 흡수하며 외부로 나가지 않게 하는 작용을 한다.

이 공명기 사이에 진동판을 두어 음향에너지를 수확하여 전기에너지로 바꾸는 기술의 가능성도 제시된 바 있다.위의 선행연구와 이론을 통해 소리가 공기를 매질로 파동으로 전달되는 특성을 이용해 소리를 채집하는 압전진동판 발전소자를 소음이 심한 도로에 방음벽이나 방음창에 설치할 수 있는 가능성이 열린다.

방음벽은 소리가 나는 쪽과 그 소리를 받아들이는 수음점 사이에 벽을 설치하게 되는데 소리로 인한 피해를 막기 위해 여려 형태로 구성되며 완전히 앞뒤가 막힌 차음형과 소리가 나는 쪽인 앞면에 블라인드나 조각형태로 사이사이의 흠이 나있고 뒷면은 막히게 설치되는 흡음형으로 구성된다. 이 흡음형의 판넬과 판넬 사이에 소리를 흡수하는 진동판을 설치하고 진동판과 진동판 사이에 코일형태로 감긴 전자석과 영구자석에 의해 형성된 자기장으로 연결되어 소리가 축적되는 발전장치로 이어지게 한다.

소음은 레벨변동이 적은 정상소음과 불규칙적인 변동소음이 교차한다. 하지만 이 정상소음과 변동소음이 연속성과 반복성을 가지면 일정 데시벨(80~100dB)이상의 소음이 지속되면 소리에너지가 진동판(Diaphragm)으로 전달하여 운동에너지로 전환이 가능하며, 전환된 운동에너지는 전기에너지로 축척이 가능하다.

이 진동판의 모양 또한 헬름홀츠 공명기의 모양처럼 격자의 겹치는 방음창과 방음틀 사이에 진동판을 설치하여 소리를 흡읍하게 하면 바깥쪽으로 소리가 나지 않으면서 소리를 수확할 수 있으며 이것이 진동판을 통해 전기에너지로 전환이 가능하다. 이러한 방식은 일정 소음의 특정 진동수에서 최고음압을 나타내고 이 소음에너지가 해당 진동수에서 효과적으로 전기를 생산할 수 있는 발전장치를 작동할 수 있다. 길거리에서 채집된 소음이 생산한 전기로 크게는 전기차를 충전할 수 있는 전기충전소, 작게는 핸드폰 충전 등의 용도로도 간편하게 사용할 수 있어 친환경 에너지 하베스팅 방법으로 제시될 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

11: 소리
21: 진동막
22: 코일
23: 자석
24: 공명프레임

Claims

본 고안의 버려지는 소음을 에너지원으로 전환하는 에너지 하베스팅 기술은
소리를 흡읍하는 진동막(21),
자석의 세기를 조절하는 코일(22),
진동막과 고정되며, 코일과 결합하여 전자석으로 구성되게 하며 전기의 흐름 시간을 지속하게 하는 자석(23)
마이크로 프레임과 공명기의 역할을 하는 공명프레임(24)