KR20200027958A - 마찰전기 전하 하베스팅 장치 - Google Patents
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Abstract
이동하는 운송 수단의 외부 표면에서 발생되는 마찰전기 전하를 하베스팅 및 저장하기 위한 장치가 제공된다. 이것은 ● 나노 카본 함유 전극들; 이온성 액체 전해질 및 하나 이상의 이온 투과성 다공 막;으로 구성되는 슈퍼 커패시터; ● 작용하는 공기 역학적 유도 마찰력에 노출되어 전하가 축적되며 하나의 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 제 1 요소; ● 상기 전하 수집 요소보다 정전기 전위가 낮고 다른 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 제 2 요소; ● 상기 제 1 및/또는 제 2 요소들과 상기 슈퍼 커패시터 사이에 배치되는 전압 변경 또는 임피던스 변환 회로; ● 상기 장치를 전력을 필요로 하는 작동 가능한 구성 요소에 연결하는 수단; 및 ● 에너지 하베스팅 모드와 에너지 이용 모드 사이에서 전환하며 상기 장치의 동작을 관리하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 장치는 특히 비행기 날개에 배치되어 생성된 마찰전기 전하를 이용하기 위해 사용된다.
Description
본 발명은 이동하는 운송 수단의 외부에 작용하는 공기 역학적으로 생성된 마찰력으로부터 마찰전기 전하(triboelectric charge)를 하베스팅(harvesting)하기에 적합한 장치에 관한 것이다.
US2015061375는 고도 또는 난류의 변화에 따라 비행기 날개의 압력 변환기에 의해 생성된 전기 에너지를 하베스팅하도록 설계 및 구성된 에너지 하베스팅 부재를 교시하고 있다. US20120274144에서도 유사한 접근법이 채택되었다.
US20060061107에는 그것에 충돌하는 유체 물질, 예를 들어 공기에 의해 구동되는 터빈을 사용하여 움직이는 운송 수단으로부터의 에너지 회수 시스템이 개시되어 있다.
US7592783은 에너지가 슈퍼 커패시터인 것으로 보이지 않는 불특정 커패시터에 저장되는 비행기용 마찰전기 하베스팅기를 교시하고 있다.
마찰전기 하베스팅에 대한 다른 접근법은 US20150180376 및 US 20140338458에 교시되어 있다.
본 발명에 대하여 이제 하기 실시예에 의해 설명될 것이다.
도 1은 상부 표면에 복수의 충전 표면들을 갖는 비행기의 날개를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 날개의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 충전 표면에 연결될 수 있는 탄성 복합재로 만들어진 박스를 도시한 것이다.
도 1은 상부 표면에 복수의 충전 표면들을 갖는 비행기의 날개를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 날개의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 충전 표면에 연결될 수 있는 탄성 복합재로 만들어진 박스를 도시한 것이다.
이제 아래에 설명되는 경량의 슈퍼 커패시터 유형을 사용함으로써 특히 힘 대 무게 비율 측면에서 종래에 대해 개선된 시스템을 설계했다.
본 발명에 따르면, 이동하는 운송 수단의 외부 표면에서 발생되는 마찰전기 전하를 하베스팅 및 저장하기 위한 장치가 제공되며;
● 나노 카본 함유 전극들; 이온성 액체 전해질 및 하나 이상의 이온 투과성 다공 막;으로 구성되는 슈퍼 커패시터;
● 작용하는 공기 역학적 유도 마찰력(aerodynamically-induced frictional force)에 노출되어 전하가 축적되며 하나의 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 제 1 요소;
● 상기 전하 수집 요소보다 정전기 전위가 낮고 다른 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 제 2 요소;
● 상기 제 1 및/또는 제 2 요소들과 상기 슈퍼 커패시터 사이에 배치되는 전압 변경 또는 임피던스 변환 회로;
● 상기 장치를 전력을 필요로 하는 작동 가능한 구성 요소에 연결하는 수단; 및
● 에너지 하베스팅 모드와 에너지 이용 모드 사이에서 전환하며 상기 장치의 동작을 관리하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 형태에서, 장치는 이동 운송 수단의 외부 바디 패널, 예를 들어, 자동차, 트럭, 트램, 기차, 철도 차량, 비행기, 헬리콥터, 선박 또는 잠수함을 포함하여 빠르게 이동할 수 있는 모든 운송 수단의 외부 표면에 부착되거나 일체화되도록 설계된다. 다른 실시 형태에서, 표면은 비행기 날개의 바디 패널의 전체 또는 일부이다. 다른 실시 형태에서, 표면은 이들 운송 수단 중 하나의 하나 이상의 공기 역학적 형상의 바디 패널들이다. 또 다른 실시 형태에서, 공기 역학적으로 유도된 마찰력들은 물 또는 특히 공기와 같은 편재 유체 매체를 통한 바디 패널의 이동에 의해 발생된다. 이러한 힘들은 예를 들어 유체의 특성의 변화, 예를 들어 국부적 날씨 조건에 의해 결정된 공기의 특성으로 인해 발생할 수 있다. 적절하게는 마찰전기 전하는 본질적으로 정전기이다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 슈퍼 커패시터의 나노 카본 함유 전극들은 나노 카본 성분들을 포함하는 카본 전하 운반 요소들로 구성된 층으로 코팅되는 얇은 가요성 시트(예를 들어, 알루미늄, 은 또는 구리 포일) 형태의 전기 전도성 금속 집전체를 필수적으로 포함하여 구성된 애노드 및 캐소드 표면들을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 이들 애노드 및 캐소드 표면들 중 적어도 일부는 동일한 시트의 대향 측면들 상에 배치된다. 적합하게는, 이들 전하 운반 요소들 중 적어도 일부는 평균 가장 긴 치수가 10 미크론 미만인 카본 입자들이다. 바람직하게는, 이들 입자들은 메조 기공이 2 내지 50 나노미터의 크기 범위 인 메조 기공성을 나타낸다. 다른 실시 형태에서, 카본 전하 운반 요소들은 최종 슈퍼 커패시터에 어느 정도의 의사 커패시턴스 거동(pseudocapacitance behaviour)을 부여할 수 있는 물질, 예를 들어, 니켈, 망간, 루테늄, 비스무트, 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하는 하나보다 많은 산화 상태를 갖는 리튬 또는 전이 금속들과 같은 금속들의 염, 수산화물 및 산화물의 나노 입자들에 의해 보충될 수 있다.
일 실시 형태에서, 층은 중합체 바인더 매트릭스에 매립된 카본 입자들로 구성되고, 입자 대 바인더의 중량비가 0.2:1 내지 20:1의 범위인 것을 특징으로 한다. 다른 실시 형태에서, 바인더는 전기 전도성이다. 또 다른 실시 형태에서, 카본 입자들은 그래핀 입자들을 포함하고; 또 다른 실시 형태에서 이들은 카본 나노 튜브를 포함한다. 하나의 바람직한 실시 형태에서, 그래핀과 카본 나노 튜브의 혼합물은 선택적으로는 활성탄이 존재하는 상태에서 사용된다. 다른 적합한 실시 형태에서, 카본 입자들은 활성탄, 카본 나노 튜브 및 그래핀이 0.5-2000 : 0.5-100 : 1; 바람직하게는 0.5-1500 : 0.5-80 : 1의 중량비로 존재하는 이들 3 가지 성분의 혼합물을 포함한다.
활성탄이라는 용어는 표면적이 통상적으로 500m2g-1보다 크고 바람직하게는 1500 내지 2500m2g-1이고 평균 입자 크기가 1 미크론 미만인 고순도의 비정질 카본을 의미한다. 이러한 물질은 다수의 상업적 공급원으로부터 쉽게 입수할 수 있다. 사용되는 카본 나노 튜브는 통상적으로 2-500 미크론(바람직하게는 100-300 미크론) 범위의 평균 길이 및 100-150 나노미터 범위의 평균 직경을 갖는다. 나노 튜브는 단일 벽으로 이루어지거 또는 다중 벽으로 이루어지거나 또는 양쪽 모두의 혼합물일 수 있다.
그래핀이라는 용어는 입자들이 실질적으로 2 차원 구조인 카본의 동소체를 의미한다. 극단적으로 이들 입자들은 흑연 구조를 갖는 단일 원자 층 소판(platelet)을 포함하지만, 본 발명의 목적상 이 성분은 소량의 이러한 소판을 다른 것(예를 들어 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 10개의 소판)의 상부에 적층시킨 것을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 이러한 소판들은 비산화 형태이다. 다른 실시 형태에서, 소판들은 독립적으로 투과 전자 현미경에 의해 측정시 1 내지 4000 나노미터, 바람직하게는 20 내지 3000 또는 10 내지 2000 나노미터 범위의 평균 치수를 갖는다. 상업적으로도 입수 가능한(예를 들어, 영국의 Thomas Swann Limited에 의한 Elicarb®라는 제품) 이러한 재료를 제조하기 위해 임의의 공지된 방법이 사용될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 카본 전하 운반 요소들은 전도성 카본을 20 중량% 이하, 바람직하게는 1 내지 20 중량% 더 포함할 수 있다. 적합하게는, 이러한 전도성 카본은 다결정 구조 및 1 내지 500m2g-1 범위의 표면 영역을 갖는 고전도성 비흑연성 카본을 포함한다. 일 실시 형태에서, 이것은 카본 블랙이다; 예를 들어, 리튬 이온 배터리(예를 들면, Timcal SuperC65® 및/또는 Timcal SuperC45)에 전도성 첨가제로서 사용된 재료들 중 하나.
일 실시 형태에서, 본 발명의 방법이 수행된 후 전극들에서의 잔류 수분은 100ppm 미만이어야 하며; 바람직하게는 50ppm 미만이어야 한다.
또 다른 실시 형태에서, 카본 함유 애노드(들) 및 캐소드(들)는 서로 비대칭이고, 즉, 이들은 상이한 두께를 갖는다 - 예를 들어 상이한 두께의 층들.
전도성 바인더로 돌아가서, 이것은 하나 이상의 전기 전도성 중합체들로 적합하게 구성되며, 바람직하게는 셀룰로오스 유도체, 중합체 엘라스토머 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다. 일 실시 형태에서, 셀룰로오스 유도체는 카르복시알킬 셀룰로오스, 예를 들어 카르복시메틸 셀룰로오스이다. 다른 실시 형태에서, 엘라스토머는 스티렌-부타디엔 고무 또는 동등한 특성들을 갖는 물질이다.
적합하게는, 복합 층에서 다양한 성분의 총 전하 함유 표면 영역은 > 250m2g-1이며, 바람직하게는 > 260m2g-1이다.
다른 실시 형태에서, 전극은 금속 집전체를 사용하지 않는 자체-지원 전극이며, 본질적으로 중합체 바인더의 5 내지 15 중량%로 균일하게 분산된 75 내지 90 중량%의 활성탄 및 5 내지 25 중량%의 전도성 카본의 나노 카본 함유 매트릭스로 이루어진 강성 또는 기계적 탄성의 전기 전도성 시트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 적합한 이러한 시트는 cc당 0.4 그램 초과의 밀도, 그램당 100 패럿 초과의 평균 중량 캐패시턴스 및 코인 셀에서 측정시 등가 직렬 저항(equivalent series resistance (ESR))이 30 옴 미만인 것이다.
이온성 액체 전해질로 돌아가서, 이것은 적절하게는 100℃ 미만에서 용융되고 바람직하게는 주위 온도 이하에서 용융되는 유기 이온 염(organic ionic salt)을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 이것은 하나 이상의 이온성 액체로 구성되는 혼합물이고, 이 혼합물은 25 ℃에서 10 내지 80 센티포이즈(centipoise) 범위의 점도를 가지며, 바람직하게는 20 내지 50 센티포이즈 범위의 점도를 갖는다. 또 다른 실시 양태에서, 전해질은 둘 이상의 성분 중 하나가 이온성 액체인 공융 혼합물(eutectic mixture) 또는 근공융 혼합물(near-eutectic mixture)이다. 적합하게는 이들 혼합물은 100 ℃ 미만, 바람직하게는 50 ℃ 미만의 융점을 가지며, 더욱 바람직하게는 30 ℃ 미만의 융점을 갖는다. 공융 거동은 라울의 법칙에 기초하여 예상되는 것과 비교하여 주어진 조성 범위에서 융점이 현저하게 저하되는 둘 이상의 성분의 혼합물의 잘 알려진 특성이다. 여기서, 용어 "공융 또는 근공융 혼합물"은 그 융점이 이러한 저하를 나타내는 본 발명에 따른 성분들의 임의의 혼합물을 포함하는 것으로 해석되어야 하며; 실제 공융점에서 50% 초과의 저하, 바람직하게는 90% 초과의 저하를 갖는 것이 가장 바람직하다. 특히 바람직한 실시 형태에서, 공융 조성물 자체가 전해질로서 사용된다. 다른 실시 형태에서, 사용된 이온성 액체 중 적어도 하나는 3v보다 큰 전기 화학 창을 갖는다.
일 실시 형태에서, 사용되는 전해질은 US5827602 또는 WO2011/100232에 기술된 이온성 액체 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물, 예를 들어 공융 또는 근공융 혼합물이며, 이 문헌에서 독자는 완전한 목록을 확인할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 혼합물은 상기 이온성 액체들 중 2개 이상의 혼합물로 구성된다.
적합하게는, 사용되는 이온성 액체 또는 전해질에 사용되는 이온성 액체 중 하나는 알킬 또는 치환된 알킬 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피페리디늄, 피롤리디늄, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨 또는 아제파늄 양이온의 사차염이다. 이러한 경우에, 각각의 양이온과 관련된 반대 음이온은 큰 다원자이고, 50 또는 100 옹스트롬을 초과하는 반데르발스 부피를 갖는 것이 바람직하다(예를 들어 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려되는 예시적인 예들을 제공하는 US 5827602 참조). 또한, 음이온은 액체의 이온이 쉽게 클로즈 팩되지 않고 결정화를 일으키지 않도록 양이온에 대해 비대칭이되게 선택되는 것이 바람직하다. 일 실시 형태에서, 반대 음이온은 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 디시안아미드, 비스(플루오로술포닐) 이미 드(bis(fluorosulphonyl)imide (FSI)), 비스(트리플루오로 메틸술포닐) 이미드(bis(trifluoromethylsulphonyl)imide (TFSI)) 또는 비스(퍼플루오로 C2 내지 C4 알킬술포닐) 이미드, 예를 들어 비스(퍼플루오로에틸술포닐) 이미드 음이온들 또는 이것의 유사체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 다른 바람직한 실시 형태에서, 이온성 액체(들)는 양이온들 및 음이온들의 치환이 본원에 개시된 바와 같이 예상되는 이들 음이온들의 C1 내지 C4 알킬 치환 이미다졸륨, 피페리디늄 또는 피롤리디늄 염들로부터 선택된다. 이 목록 중에서, 다음의 이원 시스템이 바람직하다: 피페리디늄 염 및 이미다졸륨 염; 피페리디늄 염 및 피롤리디늄 염 및 이미다졸륨 염 및 피롤리디늄 염. 대안적인 실시 형태에서, 이원 시스템은 (a) 피페리디늄 염 및 상기 언급된 음이온들 중 하나의 임의의 치환된 부피가 큰 사차 암모늄 염; 예를 들어, 알킬 또는 알콕시 잔기가 독립적으로 1개, 2개, 3개 또는 4개의 카본 원자를 갖는 이들의 알킬(알콕실알킬) 암모늄 염 또는 (b) WO2011/100232에 예시된 아제파늄 염들 중 하나 이상의 염. 상기 언급된 모든 경우에 있어서, 사용되는 염들은 각각 바람직하게는 3 볼트 초과의 전기 화학적 창 및 30 ℃ 미만의 융점을 가져야 한다.
구체적인, 사용될 수 있는 전해질의 비제한적 예들로는 다음의 양이온들, 즉 1-에틸-3-메틸이미다졸륨(EMIM), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨(BMIM), 1-메틸-1- 프로필피롤리디늄, 1-메틸-1-부틸피롤리디늄으로부터 유도되는 염들 또는 염들의 혼합물 및 상기 언급된 음이온들을 포함한다. 일 실시 형태에서, 전해질은 이들 양이온들의 하나 이상의 테트라플루오로보레이트 염들이다. 다른 실시 형태에서, 이것은 방법의 단계 (a)에서 사용된 것과 동일한 염이다.
다른 실시 형태에서, 이온성 액체는 사차 암모늄 양이온, 예컨대 N, N-디에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸) 암모늄(N,N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl)ammonium (DEME)) 및 이것의 동족체의 염이다.
적합하게는 이온성 액체의 수분 함량은 100 ppm 미만, 바람직하게는 50 ppm 미만이다.
인접한 애노드와 캐소드 전극 사이의 전해질에 위치된 이온 투과성 막은 중합체 또는 유사한 다공성 물질로 적절하게 만들어진다.
본 발명의 장치는 슈퍼 커패시터에 부착되고 충전 목적으로 전위차의 소스를 제공하는 제 1 및 제 2 요소들을 포함한다. 이 전위차는 표면 자체 또는 그 위에 끌어 당겨진 전하 입자에 대한 마찰전기 전하 형성으로 인해 발생한다. 일 실시 형태에서, 제 2 요소는 운송 수단 내에 위치되는 충전되지 않은 접지 구성 요소이다. 이것은 예를 들어 정전 전하 축적을 받지 않는 운송 수단의 구조적 부분일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제 2 요소는 제 1 요소에 비해 마찰전기 전하를 거의 또는 전혀받지 않거나 반대 극성의 마찰전기 전하를 수집하는 운송 수단의 외부 영역에 부착되거나 일체화될 수 있다. 장치가 비행기에 사용될 때, 장치 자체는 그것의 날개(들) 내에 편리하게 위치될 수 있고 제 1 요소는 그 위에 위치된 종래의 정전 소산 핀(static-dissipation pin)들에 선택적으로 부착될 수 있다. 그러한 경우에, 제 2 요소는 예를 들어 동체 또는 캐빈 내부의 다른 위치에 위치될 수 있다.
일 실시 형태에서, 제 1 요소(들)는 마찰전기 전하의 축적을 촉진시키기 위해 상이한 거칠기 정도를 갖는 운송 수단의 하나 이상의 외부 바디 패널들 상의 영역들을 포함한다. 이런 의미에서 본 장치는 이러한 전하의 축적이 적극적으로 방해되어야 할 것으로 여겨지는 기존의 지식에 위배된다. 다른 실시 형태에서, 제 1 부재(들)는 장치의 외부 표면에 부착되거나 그와 일체형이며 하베스팅 전극들이 부착되거나 내장된 하나 또는 복수의 유전체 시트들 또는 코팅된 영역들을 포함한다. 일 실시 형태에서, 이러한 시트들 또는 코팅들은 장치의 작동 온도 범위(operating temperature envelope)를 견딜 수 있는 플라스틱 또는 유전체 복합재로 구성된다.
일 실시 형태에서, 운송 수단에는 각각의 복수의 제 1 및 제 2 요소들 및/또는 직렬 또는 병렬로 연결되어 필요에 따라 작동 에너지 또는 전력을 제공하는데 사용될 수 있는 상당한 전기 에너지 뱅크를 제공하는 복수의 슈퍼 커패시터들로 구성될 수 있는 하나 이상의 본 장치가 제공된다.
본 장치는 제 1 및 제 2 요소들에 의해 생성될 고전압들(통상적으로 수천 볼트 크기)을, 슈퍼 커패시터의 효율적인 충전을 가능하게하는 수준까지 강하시키도록 설계된, 제 1 및/또는 제 2 요소들과 슈퍼 커패시터 사이에 배치되는 전압 변경 또는 임피던스 변환 회로를 더 포함한다. 일 실시 형태에서, 이 회로는 DC-DC 변환기이며, 여기서 관련 에너지가 변압기 또는 인덕터의 자기장으로부터 저장되고 방출된다.
컨트롤러는 적합하게는 마이크로 프로세서 또는 등가 회로로서 슈퍼 커패시터의 성능을 자동으로 또는 사용자 입력으로 관리할 수 있게 한다. 일 실시 형태에서, 본 장치는 에너지 하베스팅 모드와 에너지 이용 모드 사이에서 스위칭될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 본 장치는 다음 항목 중 일부 또는 전부를 추가로 포함한다: 슈퍼 커패시터의 충전 상태를 나타내는 미터기 또는 유사한 디스플레이; 장치 고장 또는 안전 문제 발생시 사용자에게 알릴 수 있도록 하는 온도 모니터 및 경보. 다른 실시 형태에서, 본 장치는 전압 서지들(예를 들어, 뇌우 또는 낙뢰 중에 발생된 서지들)로부터 슈퍼 커패시터를 보호하기 위한 보호 회로를 더 포함할 것이다. 일 실시 형태에서, 적어도 슈퍼 커패시터는 전기적으로 절연되고, 가연성이며, 극한의 온도(높고 낮음)에 저항하는 물질로 만들어지고 질소와 같은 불활성 가스의 블랭킷을 추가로 함유하는 밀봉된 용기에 포함됨으로써 화재의 위험을 최소화한다. 본 장치는 슈퍼 커패시터를 최적의 성능 온도 범위 내로 유지하기 위해 슈퍼 커패시터에 의해 전력을 공급받는 히터 또는 가열 회로를 더 포함할 수 있다. 이러한 회로는 운송 수단 외부에 위치한 온도 센서 또는 압력 변환기로부터의 입력에 응답하여 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 본 장치는 이것을 통과하는 매체에 과도한 정전기를 방출하기 위해 와이어, 브러쉬 등이 제공될 수 있다.
본 발명의 장치는 수요가 상대적으로 낮을 때(예를 들어, 운송 수단의 제어 내비게이션 또는 통신 시스템과 같은 작동 요소에 전력을 공급하기 위해) 1 차 에너지 원으로 사용될 수 있다. 대안적으로 본 장치들은 비상 상황에서 액세스 가능한 전력을 제공하는 백업으로서 제공될 수 있다. 본 장치 자체는 필요에 따라(예를 들어, 운송 수단을 사용하지 않을 때) 슈퍼 커패시터에 의해 충전될 수 있는 하나 이상의 리튬-이온 배터리를 더 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 적어도 슈퍼 커패시터 및 컨트롤러는 일반적인 '블랙 박스' 기록 장치 내에 포함되어 현재 가능한 것보다 더 오랜 동안 조난 비콘에 전력을 공급할 수 있다.
도 1은 비행기(1)의 나머지 것에 비해 거칠고, 높은 고도에서 발견되는 하전 입자를 수집할 수 있는 복수의 충전 표면들(2)(예를 들어, 유전체 코팅으로 구성된 영역)을 상부 표면에 갖는 비행기(1)의 날개를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2는 X-X'를 포함하는 평면을 따라 1의 단면도를 도시한 것이며, 이것은 1 내부에 질소 가스 및 선택적으로는 난연성 화학 물질(4)로 채워진 탄성 복합재(예를 들어, 메쉬 강화 엔지니어링 플라스틱)로 만들어진 밀봉된 박스(3)가 위치되어 있음을 나타낸다. 3은 각각의 전기 케이블들(4, 5)에 의해서 예를 들어 2의 전극 및 비행기의 동체(도시되지 않음) 내부의 충전되지 않은 구조 부재에 연결된다.
도 3은 3의 내부를 도시하고 있으며, 여기서 4 및 5의 다른 단부들은 강압 DC-DC 컨버터(step-down DC to DC converter)(7) 밍 직렬로 배치된 복수의 슈퍼 커패시터 셀들로 구성된 슈퍼 커패시터 뱅크(8)에 연결되기 전에 서지 방지 회로(6)에 의해 브릿지된다. 여기서 복수의 슈퍼 커패시터 셀들은 나노 카본 함유 애노드들 및 캐소드들, 상기 명시된 유형의 이온성 액체 전해질, 및 애노드들과 캐소드들 사이에 배치된 이온 투과성 유전체 막들을 포함한다. 애노드들 및 캐소드들은 각각 8 상의 단자들(9 및 10)에 부착되며, 이것은 결국 7 및 11에 연결된다. 마이크로 프로세서(11)는 9 및 10에 작동 가능하게 브릿지되며, 비행기의 주 배터리 고장시에 백업 전력을 제공하도록 구성되는 비행기의 '플라이 바이 와이어' 시스템(도시되지 않음)에 더 연결된다.
Claims (15)
- 이동하는 운송 수단의 외부 표면에서 발생되는 마찰전기 전하를 하베스팅(harvesting) 및 저장하기 위한 장치로서;
● 나노 카본 함유 전극들, 이온성 액체 전해질 및 하나 이상의 이온 투과성 막으로 구성되는 슈퍼 커패시터 셀;
● 작용하는 공기 역학적 유도 마찰력에 노출되어 전하가 축적되고 하나의 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는, 적어도 하나의 제 1 요소;
● 상기 전하 수집 요소보다 정전기 전위가 낮고 다른 극성의 전극들 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 제 2 요소;
● 상기 제 1 요소 및/또는 제 2 요소와 상기 슈퍼 커패시터 사이에 배치되는 전압 변경 또는 임피던스 변환 회로;
● 상기 장치를 전력을 필요로 하는 작동 가능한 구성 요소에 연결하는 수단; 및
● 에너지 하베스팅 모드와 에너지 이용 모드 사이에서 전환하며 상기 장치의 동작을 관리하는 컨트롤러;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
전압 변경 장치는 강압 DC-DC 변환기인 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 운송 수단은 비행기이고, 상기 제 1 요소 및 제 2 요소는 상이한 충전 정도 또는 극성을 갖는 날개(들)의 상이한 표면 영역들인 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 요소(들)는 상기 날개 상의 정전 소산 핀(static dissipation pin)들에 연결되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 상이한 표면 영역들은 상이한 공기 역학적 거칠기 정도를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 장치들이 상기 날개에 부착되거나 상기 날개와 일체화되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 운송 수단의 제어, 내비게이션 또는 통신 시스템 중 하나 이상에 전력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
최적 작동 온도 범위 내에서 상기 슈퍼 커패시터를 유지하기 위한 히터 또는 가열 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
전압 서지들의 영향들을 완화시키기 위한 보호 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치의 구성 요소들은 불활성 가스 블랭킷을 포함하는 가연성, 기계적 및 열적 탄성 용기 내에 포함되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 리튬 이온 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 표면 상에 하나 이상의 정전 방전기(static discharger)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 운송 수단의 움직임 또는 구성 요소들을 적어도 부분적으로 동력화하기 위한 목적으로 이동 운송 수단으로부터 마찰전기 전하를 하베스팅하기 위한 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 장치 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비행기 날개 또는 운송 수단 바디 패널.
- 제 14 항에 있어서,
상기 장치는 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는, 비행기 날개 또는 운송 수단 바디 패널.
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