KR20210065808A - 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents
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Abstract
자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치가 개시된다. 개시된 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치는 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 제1 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 수직이 되도록 상기 플레이트에 배치되는 제1자석; 및 상기 제1자석과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 상기 제1자석과 결합되는 제2자석을 포함한다.
Description
본 발명은 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스팅(energy harvesting)이라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 기술은 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하며, 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전체를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전체는 기계적인 힘을 받았을 때 전기 에너지를 발생시키거나, 또는 전기적 에너지를 받았을 때 기계적인 변형을 일으킬 수 있는 물질로서, 수정, 세라믹(납-지르코니아-티타늄), AIN, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, GaN 등과 같은 물질이 이용될 수 있다. 또한 압전체는, 폴리머를 이용하여 필름 형태로 유연하게 제조될 수도 있다.
압전체를 이용하는 에너지 하베스팅 기술은 기계적 에너지를 제공받을 수 있는 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 자기장을 기계적 에너지로 활용하는 연구가 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로 대한민국 공개특허 제2016-0076700호, 제2018-0031876호 및 일본 공개특허 특개2019-22366호가 있다.
본 발명은 자석을 이용하여 전류가 흐르는 전력 케이블 주변에서 전력을 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 에너지 하베스팅 장치의 자석에 인가되는 로렌츠의 힘을 증가시켜 발전 효율이 증가된 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 로렌츠의 힘이 증가될 수 있도록 자속을 집중시켜, 발전 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 제1 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 수직이 되도록 상기 플레이트에 배치되는 제1자석; 및 상기 제1자석과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 상기 제1자석과 결합되는 제2자석을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 플레이트; 상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자; 상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부; 제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 제1 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 상기 플레이트에 배치되는 제1자석; 및 상기 제1자석과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 상기 제1자석과 결합되는 제2자석을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 장치의 자석에 인가되는 로렌츠의 힘이 증가될 수 있도록 자석을 배치함으로써, 발전 효율이 증가할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 특정 영역에 자속이 집중되는 구조의 자석을 통해, 로렌츠의 힘이 더욱 증가됨으로써, 발전 효율이 더욱 증가할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시에에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시에에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 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.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 측면을 도시하는 도면이며, 도 2는 상부에서 바라본 에너지 하베스팅 장치를 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 플레이트(110), 압전 소자(120), 지지부(130) 및 자석부(140)를 포함한다.
압전 소자(120)는 플레이트의 일면(111) 또는 타면(112)에 배치되며, 실시예에 따라서 플레이트의 일면(111) 및 타면(112) 모두에 배치될 수 있다. 플레이트(110)는 탄성력을 가진 재질일 수 있으며, 예컨대 금속성의 재질일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 외팔보 타입의 하베스팅 장치로서, 지지부(130)는 플레이트(110)의 일단에 결합되어 플레이트(110)를 지지한다.
자석부(140)는, 플레이트(110)에 배치되며, 추후 설명되는 로렌츠의 힘에 의해 진동한다. 그리고 진동하는 자석부(140)에 의해 자석부(140)와 결합된 플레이트(110)도 진동할 수 있다. 자석의 배치 위치에 제한은 없으나, 자석부(140)는 플레이트(110)의 변위를 증가시키는 방향으로 플레이트(110)에 배치되는 것이 바람직하며, 일실시예로서 도 1에 도시된 바와 같이 플레이트(110)의 타단에 결합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 자석부(140)는, 제1 및 제2자석(141, 142)을 포함한다.
제1자석(141)은, 제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 플레이트(110)의 제1 및 제2극의 방향이 플레이트의 길이 방향(113)에 수직이 되도록 플레이트(110)에 배치된다. 제2자석(142)는 제1자석(141)과 동일한 극성이 서로 마주보도록 제1자석(141)과 결합된다.
즉, 자석부(140)는 일예로서 막대 형상으로서, 제1자석(141)의 제1극 또는 제2극 중 하나의 극이 플레이트(110)에 접촉되고, 제2자석(120)이 제1자석(141)의 나머지 극과 접촉하여 세로로 적층된 형태로 배치될 수 있다. 제1 및 제2자석(141, 142)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, N극이 서로 마주보도록 결합될 수 있으며 또는 실시예에 따라서 S극이 서로 마주 보도록 결합될 수 있다.
제1 및 제2자석(141, 142)은 접착제에 의해 결합되거나 또는 기계 또는 기구적인 장치에 의해 결합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 로렌츠의 힘에 의해 자석을 진동시키기 위해, 파워 케이블과 같이 전자기장이 생성되는 지역에서 이용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 파워 케이블에 이격되어 배치될 수 있으며, 파워 케이블 주변에 형성되는 전자기장에 의해 진동하는 자석에 의해 플레이트가 진동하면서 휘어질 수 있으며, 압전 소자도 함께 휘어지면서 전력 에너지가 생성될 수 있다.
이 때, 자석부(140)에 인가되는 로렌츠의 힘이 증가될 수 있도록, 플레이트(110)가 배치될 수 있으며, 일실시예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 플레이트(110)는 타단이 파워 케이블(150)을 향하며, 폭 방향(114)이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 평행하도록 배치될 수 있다. 또한 플레이트(110)의 길이 방향(113)이 파워 케이블(150)의 길이 방향(151)에 수직이 되도록, 플레이트(110)가 배치될 수 있다.
실시예에 따라서, 플레이트(110)는 후술되는 도 6 및 도 7의 배치 구조와 같이 파워 케이블(150)로 이격되어 배치될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일실시예는 동일한 극성이 서로 마주보도록 배치된 자석부(140)를 이용함으로써, 자석부(140)에 인가되는 로렌츠의 힘을 더욱 증가시킬 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2자석(141, 142)은, 동일한 극성이 서로 마주보고 있는 상태이며, 자석의 자속 방향은 자석의 제1극에서 제2극의 방향에 대응되기 때문에, 자석부(140)의 자속은 자석부(140)의 좌우 측면에서 S극이 존재하는 자석부(140)의 상면 및 하면으로 향하게 된다. 따라서, 자석부(140)의 좌우 영역(360, 370)에 자석부(140)에 의한 자속이 집중될 수 있으며, 이와 같이 집중되는 자속에 의해, y축 방향으로 보다 큰 로렌츠의 힘이 작용할 수 있다.
파워 케이블에 교류 전류가 흐를 경우, 전류가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌면서 자석에 인가되는 로렌츠의 힘의 방향 역시 y축을 기준으로 주기적으로 상하로 바뀌므로, 자석 역시 지속적으로 진동할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 제1 및 제2자석(141, 142) 사이에 배치되는 강자성체 심(shim, 480)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2자석(141, 142)은 강자성체 심(470)을 중심으로 결합될 수 있다. 이러한 강자성체에 의해 특정 영역(360, 370)에 집중되는 자속의 양은 더욱 증가할 수 있으며, 이에 따라 로렌츠의 힘이 증가하여 발전 효율 역시 증가할 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2자석(141, 142)을 결합시키기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 제1 및 제2자석(141, 142)이 포함되며, 제1 및 제2자석(141, 142)을 결합시키는 하우징(590)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2자석(141, 142)은 서로 동일한 극성이 마주보도록 배치되기 때문에, 제1 및 제2자석(141, 142) 사이에는 척력이 발생하는데, 제1 및 제2자석을 둘러싸는 하우징(580)에 의해 제1 및 제2자석(141, 142)은 보다 안정적으로 결합될 수 있다.
이 때, 실시예에 따라서, 자석부는 도 4와 같이, 강자성체 심이 포함된 형태로 하우징(590)에 실장될 수 있다. 그리고 하우징(590)은 자속의 투과율은 높되 자화율이 낮은 비자성체로 이루어질 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석의 자속이 집중되는 영역을 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 측면을 도시하는 도면이며, 도 7은 상부에서 바라본 에너지 하베스팅 장치를 도시하는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는, 도 1 내지 도 2에서 설명된 에너지 하베스팅 장치와 비교하여, 제1 및 제2자석의 배치가 상이하다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 플레이트(110), 압전 소자(120), 지지부(130) 및 자석부(640)를 포함하되, 자석부(640)에 포함되는 제1 및 제2자석(641, 642)의 제1 및 제2극의 방향이 플레이트(110)의 길이 방향에 평행하도록, 자석부의 제1 및 제2자석(641, 642)이 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1자석(641)은, 제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 제1 및 제2극의 방향이 플레이트(110)의 길이 방향에 평행하도록 플레이트(110)에 배치되며, 제2자석(642)은 제1자석(641)과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 제1자석(641)과 결합될 수 있다. 다시 말해, 자석부(640)는, 일예로서 막대 형상으로서, 제1 및 제2자석(641, 642)의 모든 극이 플레이트(110)와 접촉하고, 제1 및 제2자석(641, 642)의 동일한 극성이 서로 마주보도록, 가로로 플레이트(110)에 배치될 수 있다.
이 때, 도 4 및 도 5에서 설명된 바와 같이, 제1 및 제2자석(641, 642) 사이에 강자성체 심이 배치되거나, 하우징에 의해 제1 및 제2자석(641, 642)이 결합될 수 있다.
도 6 및 도 7에서는, N극이 서로 마주보도록 제1 및 제2자석(641, 642)이 배치되어 있으나 실시예에 따라서, S극이 서로 마주보도록 제1 및 제2자석(641, 642)이 배치될 수 있다.
자석부(640)에 인가되는 로렌츠의 힘이 증가될 수 있도록, 플레이트(110)가 배치될 수 있으며, 일실시예로서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 플레이트(110)는 타면이 파워 케이블(150)을 향하며, 폭 방향(114)이 파워 케이블의 길이 방향(151)에 평행하도록 배치될 수 있다. 또한 플레이트의 길이 방향(113)이 파워 케이블의 길이 방향(151)에 수직이 되도록 배치될 때, 자석부(640)에 인가되는 로렌츠의 힘은 더욱 커질 수 있다.
실시예에 따라서, 플레이트(110)는 도 1 및 도 2에 도시된 배치 구조와 같이, 파워 케이블(150)로부터 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2자석(641, 642)은, 동일한 극성이 서로 마주보고 있는 상태이며, 자속의 방향은 자석의 제1극에서 제2극의 방향에 대응되기 때문에, 자석부(640)의 자속은 자석부(640)의 상면 및 하면에서, S극이 위치하는 자석부(640)의 좌우 측면으로 향하게 된다. 따라서, 자석부(140)의 상하 영역(860, 870)에 자석부(640)에 의한 자속이 집중될 수 있으며, 이와 같이 집중되는 자속에 의해, 로렌츠의 힘이 증가하고, 플레이트의 상하 변위가 커짐으로써 발전 효율이 높아질 수 있다.
파워 케이블에 교류 전류가 흐를 경우, 전류가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌면서 자석에 인가되는 로렌츠의 힘의 방향 역시 주기적으로 바뀌므로, 자석 역시 지속적으로 진동할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (12)
- 플레이트;
상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자;
상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부;
제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 제1 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 수직이 되도록 상기 플레이트에 배치되는 제1자석; 및
상기 제1자석과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 상기 제1자석과 결합되는 제2자석
을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2자석 사이에 배치되는 강자성체 심
을 더 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2자석이 포함되며, 상기 제1 및 제2자석을 결합시키는 하우징
를 더 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 플레이트는
타단이 파워 케이블을 향하며, 폭 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 평행하도록 배치되는
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 플레이트는
상기 플레이트의 길이 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 수직이 되도록 배치되는
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 파워 케이블은
교류 전류가 흐르는 파워 케이블인
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1자석은
상기 플레이트의 타단에 결합되는
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 플레이트;
상기 플레이트의 일면에 배치되는 압전 소자;
상기 플레이트의 일단에 결합되어, 상기 플레이트를 지지하는 지지부;
제1 및 제2극이 서로 반대 방향을 향하며, 상기 제1 및 제2극의 방향이 상기 플레이트의 길이 방향에 평행하도록 상기 플레이트에 배치되는 제1자석; 및
상기 제1자석과 동일한 극성이 서로 마주보도록, 상기 제1자석과 결합되는 제2자석
을 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 제1 및 제2자석 사이에 배치되는 강자성체 심
을 더 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 제1 및 제2자석이 포함되며, 상기 제1 및 제2자석을 결합시키는 하우징
을 더 포함하는 자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 플레이트는
타면이 파워 케이블을 향하며, 폭 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 평행하도록 배치되는
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
- 제 11항에 있어서,
상기 플레이트는
상기 플레이트의 길이 방향이 상기 파워 케이블의 길이 방향에 수직이 되도록 배치되는
자석을 이용하는 에너지 하베스팅 장치.
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| KR (1) | KR20210065808A (ko) |
-
2019
- 2019-12-26 KR KR1020190174678A patent/KR20210065808A/ko not_active Application Discontinuation
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