KR20220118588A - 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법 - Google Patents

전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디스크 모양 마찰대전기기에 있어서, 높이 방향으로 사이공간을 갖도록 이격배치되는 디스크; 상기 사이공간에 배치되어 전 방향 바람에 의해 상기 마찰대전기기를 상기 디스크의 중심점 기준으로 회전시키는 복수의 가이드; 상기 가이드 각각의 내측끝단과 연결되는 전극; 및 상기 복수의 가이드에 의해 형성된 상기 사이공간 내의 내측공간에 개제되는 구체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기에 관한 것이다.

Description

전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법{Stackable disk-shaped triboelectric nanogenerator to generate energy from omnidirectional wind and operation method thereof}
본 발명은 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 소비가 급격하게 증가함에 따라 열에너지, 태양 에너지, 풍력 에너지 등과 같이 재생 가능한 에너지의 수확 기술이 연구되고 있다. 많은 연구 기관들은 새로운 에너지 변환 및 전환 기술, 에너지 재충전과 저장 기술을 포함하는 다양한 에너지 수확 기술의 개발에 전념하고 있다.
그중 풍력 에너지는 풍부하고, 어디서나 있으며, 지속 가능한 에너지 자원으로서 전 세계의 환경 문제를 완화하는데 사용될 수 있는 매우 효과적인 재생 에너지 자원이다.
즉, 재생 가능한 에너지 중 풍력 에너지는 가장 보편적이고 지속 가능하며 믿을 수 있는 에너지원들 중 하나로서 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 널리 사용되고 있다. 이를 이용하기 위해 풍력 터빈을 통한 에너지 활용에 대한 연구가 활발했다.
일반적으로 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 풍력 터빈이 사용된다. 풍력 터빈을 이용한 풍력 발전기는 사막이나 초원같이 바람이 많고 낮은 인구밀도를 가지는 지역에 주로 설치되어 운영된다.
종래의 풍력 발전기는 설치 비용이 높고 유지 보수가 어려우며 기계수명이 제한되어 있어 비용 대비 효과가 낮다. 한편 풍력 발전기는 구동 시 소음으로 인해 환경 문제를 발생시키고, 전기 에너지를 높은 효율로 생성시키기 어려운 문제점을 가진다.
또한, 속도와 방향에 따른 바람의 변동성은 기존의 대규모 풍력 발전기의 한계점이다.
이러한 풍력 발전소의 한계를 해결하기 위하여, 최근에는 압전형 발전기와 마찰대전 발전기를 활용해 다양한 수준의 풍력 에너지를 수확하는 소형 풍력 발전기가 개발되고 있다.
그럼에도 불구하고, 제한된 방향 조건, 설치 현장에 대한 제한, 기계적 고장 발생 및 제한된 풍속 범위와 같은 고질적인 문제를 극복하지 못하였다. 이러한 한계를 극복하려면 고가용성 및 유연한 제약 조건을 갖춘 혁신적인 풍력발전기 설계가 필요하다.
따라서 기존 풍력 발전기들과는 다르게 바람 방향 또는 설치와 관련된 어떠한 제한도 수반하지 않도록 디스크 모양 설계를 활용하여 기존 풍력 발전기의 한계를 뛰어넘는 새로운 설계에 따른 풍력 발전기에 대한 개발이 요구되었다.
대한민국 등록특허 10-2072921 대한민국 등록특허 10-1945259 대한민국 등록특허 10-1743240 대한민국 등록특허 10-1684845
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 전 방향 바람으로부터 에너지를 생성하는 마찰대전 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 디스크 모양 설계를 통해 바람 방향 또는 설치와 관련된 어떠한 제한도 수반하지 않도록 하고, 또한 장치의 경량 충전 구체들은 기계적 고장 발생을 줄이고 발전기 작동을 위해 풍속 범위를 확장할 수 있으며, 특히, 여러 층으로 쉽게 쌓을 수 있는 스택형 구조로, 이에 따라 향상된 충전 효율성을 보여줄 수 있는, 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 디스크 모양 마찰대전 발전기를 통해, 다양한 방향과 속도의 풍력을 효과적으로 수확할 수 있고, 설치가 용이하며 적층하여 쉽게 출력을 증가시킬 수 있어, 이를 통해 기존의 풍력 발전기의 한계를 뛰어넘어 새로운 패러다임 역할을 할 수 있는, 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 디스크 모양 마찰대전기기에 있어서, 높이 방향으로 사이공간을 갖도록 이격배치되는 디스크; 상기 사이공간에 배치되어 전 방향 바람에 의해 상기 마찰대전기기를 상기 디스크의 중심점 기준으로 회전시키는 복수의 가이드; 상기 가이드 각각의 내측끝단과 연결되는 전극; 및 상기 복수의 가이드에 의해 형성된 상기 사이공간 내의 내측공간에 개제되는 구체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 가이드를 통해 바람을 다양한 방향에서 일정한 방향으로 회전하는 난류의 흐름을 상기 내측공간에 생성하여 상기 구체가 상기 내측공간 내에서 일정한 궤도로 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 일정한 궤도로 회전하는 구체 표면과 상기 전극 사이에 마찰대전이 일어나 정전기 유도현상을 통해 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 구체는 유전체로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 가이드는 평면방향이 수직으로 n개 배치되며, 서로 상기 디스크의 원주방향으로 특정간격 이격되고, 각각이 서로 360/n의 소정각도를 이루며 상기 사이공간에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 전극은 상기 가이드 내측끝단에 연결되며 내측으로 만곡된 특정곡률을 갖는 곡률부를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 특정곡률은 상기 일정한 궤도에 대응되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 디스크는 복수로 높이 방향으로 상기 사이공간을 갖도록 스택형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 구체는 상기 내측공간 내에 복수로 개제되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 마찰대전기기; 상기 마찰대전기기의 n개의 전극에서, 어느 하나 전극과 또 다른 전극 사이를 연결하는 n/2개의 연결선; 및 각각의 상기 연결선에 연결되어 전위차에 의한 전하는 축적하는 캐패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 연결선은 어느 하나의 전극과, 상기 전극과 대향된 위치의 또 다른 전극 사이를 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 각각의 상기 캐패시터가 연결되는 배터리;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 디스크 모양 마찰대전 발전기의 작동방법에 있어서, 디스크 모양 마찰대전기기 측으로 다양한 방향의 바람이 인가되는 단계; 상기 마찰대전기기가 디스크의 중심점을 기준으로 특정방향으로 회전되는 단계; 구체가 내측공간 내에서 일정한 궤도에서 회전하는 단계; 및 일정한 궤도로 회전하는 구체 표면과 상기 전극 사이에 마찰대전이 일어나 정전기 유도현상을 통해 전기에너지를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 마찰대전기기의 n개의 전극에서, 어느 하나 전극과 또 다른 전극 사이를 연결하는 n/2개의 연결선 각각에 연결된 캐패시터가 전위차에 의한 전하는 축적하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전 방향 바람으로부터 에너지를 생성하는 마찰대전 발전기를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 따르면, 디스크 모양 설계를 통해 바람 방향 또는 설치와 관련된 어떠한 제한도 수반하지 않도록 하고, 또한 장치의 경량 충전 구체들은 기계적 고장 발생을 줄이고 발전기 작동을 위해 풍속 범위를 확장할 수 있으며, 특히, 여러 층으로 쉽게 쌓을 수 있는 스택형 구조로, 이에 따라 향상된 충전 효율성을 보여줄 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기 및 그 작동방법에 따르면, 디스크 모양 마찰대전 발전기를 통해, 다양한 방향과 속도의 풍력을 효과적으로 수확할 수 있고, 설치가 용이하며 적층하여 쉽게 출력을 증가시킬 수 있어, 이를 통해 기존의 풍력 발전기의 한계를 뛰어넘어 새로운 패러다임 역할을 할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 단일 디스크 모양 마찰대전기기의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극과 충전 구체의 회전에 대한 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰대전기기의 전극간 연결선을 나타낸 평면도,
도 4는 도 3에서 제1전극과 제5전극을 연결한 연결선에서의 RMS 전압 그래프,
도 5는 본 발명의 실험예를 위한 소형 풍동 내에 설치된 스택형 마찰대전기기의 사시도,
도 6은 도 5의 실험예에서의 FEM 시뮬레이션 데이터,
도 7은 실험데이터를 위해 설계된 본 발명의 실시예에 따른 디스크 모양 마찰대전기기의 사시도,
도 8은 본 발명의 실험예에서, 제1전극과, 제2 내지 제8전극 각각의 RMS 전압과, 곡률을 갖는 전극의 각도에 대한 그래프,
도 9는 본 발명의 실험예에서, 구체의 재질이 EPS, PTFE 일 때, 구체 직경에 따른 RMS 전압 그래프,
도 10은 본 발명의 실험예에서, 마찰대전기기의 높이 30mm, 60mm, 120mm에서 구체에 대해 개수에 따른 RMS 전압 그래프,
도 11은 실험데이터를 위해 설계된 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기의 사시도,
도 12는 본 발명의 실험예에서, 정류기에서 전류된 출력을 커패시터에서 충전하였을 때, 스택 개수에 따른 충전시간 그래프,
도 13은 본 발명의 실험예에서, 풍속에 따른 정류 전압 그래프,
도 14는 본 발명의 실험예에서, 풍력에 따라 세팅 각도가 0도, 반시계 방향으로 15도 회전한 상태, 30도 회전한 상태의 사시도,
도 15는 도 14에서 0도, 15도, 30도 회전 상태에서의 정류 전압 그래프를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 단일 디스크 모양 마찰대전기기(1) 및 마찰대전 발전기(100)의 구성, 기능 및 작동방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 단일 디스크 모양 마찰대전기기의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전극과 충전 구체의 회전에 대한 모식도를 도시한 것이다.
또한 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마찰대전기기의 전극간 연결선을 나타낸 평면도를 도시한 것이고, 도 4는 도 3에서 제1전극과 제5전극을 연결한 연결선에서의 RMS 전압 그래프를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일 디스크 모양 마찰대전기기(1)는 디스크(10)와, 복수의 가이드(20), 전극(30), 구체(40)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
디스크(10)는 원판형을 가지며, 높이 방향으로 사이공간을 갖도록 이격배치 된다. 그리고 디스크(10)는 복수로 높이 방향으로 사이공간을 갖도록 스택형태를 갖도록 구성될 수 있다.
그리고 이러한 디스크(10) 간 사이공간에 복수의 가이드(20)가 배치된다. 복수의 가이드(20)를 통해 전 방향 바람에 의해 마찰대전기기(1)를 디스크의 중심점 기준으로 회전시키게 된다.
구체적으로 가이드(20)는 평면방향이 수직으로 n개 배치되며, 서로 디스크(10)의 원주방향으로 특정간격 이격되고, 각각이 서로 360/n의 소정각도를 이루며 상사이공간에 설치되게 된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 8개의 가이드(20)가 설치될 수 있으며, 가이드(20)는 서로 45도의 각도를 이루며 사이공간에 대해 방사형으로 배치되게 됨을 알 수 있다.
전극(30)은 이러한 가이드(20) 각각의 내측끝단과 연결되도록 구성된다.
그리고 충전 구체(40)는 복수의 가이드(20)에 의해 형성된 사이공간 내의 내측공간에 개제되게 된다. 이러한 구체(40)는 유전체로 구성된다. 또한 구체(40)는 내측공간 내에 복수로 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 바람의 흐름을 제어하는 가이드(20)와, 내측공간에 구체(40)를 삽입하여 구체(40)가 내측공간 내에서 일정한 궤도로 회전하며 접촉하는 부분에 전극(30)이 부착되게 된다. 경량 유전 물질에 기초한 구체는 매우 견고하며 광범위한 풍속에서 작동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마찰대전기기(1)는 가이드(20)를 통해 바람을 다양한 방향에서 일정한 방향으로 회전하는 난류의 흐름을 내측공간에 생성하게 된다. 그리고 구체(40)가 내측공간 내에서 일정한 궤도로 회전하게 된다. 일정한 궤도로 회전하는 구체(40) 표면과 전극(30) 사이에 마찰대전이 일어나 정전기 유도현상을 통해 전기에너지를 생성하게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 전극(30)은 가이드(20) 내측끝단에 연결되며 내측으로 만곡된 특정곡률을 갖는 곡률부를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 전극(30)의 특정곡률은 앞서 언급한 일정한 궤도에 대응되게 설계된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 마찰대전 발전기(100)는, n개의 전극(30)에서, 어느 하나 전극(30)과 또 다른 전극(30) 사이를 연결하는 n/2개의 연결선(31)을 포함하며, 각각의 연결선(31)에 연결되어 전위차에 의한 전하는 충전하는 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 8개의 전극(30)에 대하여 각각 쌍을 이루어 4개의 연결선(31)에 의해 연결되며, 이러한 연결선(31)은 어느 하나의 전극(30)과, 이러한 전극(30)과 대향된 위치의 또 다른 전극(30) 사이를 연결하도록 구성될 수 있다. 그리고 각각의 캐패시터는 배터리에 연결될 수 있다.
즉, 복수의 전극(30)은 연결선(free-standing mode)를 통해 연결되어 움직이는 유전체인 구체(40)에서 고정 전극(30)을 통해 사용 가능한 에너지로 시간 변화 전위를 변환하게 된다. 두 전극(30) 사이의 전위차는 오실로스코프로 측정하였으며 8개의 전극(30)은 도 3과 같이 서로 마주보는 전극을 한 쌍으로 총 4쌍의 전극(30)으로 구성하였다. 또한 도 4에 도시된 출력은 비접지법을 사용하여 측정하였으며, 전극 쌍의 위치, 풍속 등 다양한 요인의 영향을 비교하기 위해 도 4와 같이 RMS 전압으로 계산하였다(도 4는 1,5번 전극의 출력값을 예시로 든 그래프이다).
이하에서는 앞서 언급한 마찰대전기기에 대한 실험데이터에 대해 설명하도록 한다. 도 5는 본 발명의 실험예를 위한 소형 풍동 내에 설치된 스택형 마찰대전기기의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 도 5의 실험예에서의 FEM 시뮬레이션 데이터를 도시한 것이다.
본 발명의 구체적실험예를 위한 설계에서는 3D 프린터를 사용하여 PLA(Polylactic acid)의 재질로 제작하였으며, 가이드(20)의 외경과 내경은 각각 120mm와 60mm이다. 디스크(10)의 바닥 판과 가이드(20)의 두께는 2mm로 제작하였고 디스크(10)의 상부판은 3mm 두께의 PMMA 판으로 제작하였다. 용이한 제작을 위해 상기의 재료들이 사용되었으나, 추후 사용목적에 따라 다양한 재료들이 활용될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 8개의 가이드(20)는 기기 내 바람의 흐름의 입구 및 출구 역할을 한다. 이러한 가이드(20)들은 바람을 다양한 방향에서 일정한 방향으로 회전하는 난류의 흐름으로 변환할 수 있다. 이 난류와 가이드로 인해 구체(40)가 일정한 궤도에서 회전운동을 할 때, 도 2에 도시된 바와 같이 구체(40) 표면과 전극(30) 사이에서 마찰대전이 일어나 전하 전달이 발생한다. 이러한 방식으로 전극(30)의 자유 전하가 정전기 유도 현상을 통해 유도되며, 전기 에너지가 생성된다.
즉, 본 기기의 명확한 출력 결과를 도출하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 간단한 풍동 장치를 만들어 풍속 측정 및 난류 발생 속도와 압력손실의 영향을 최소화 하였다(폭과 높이의 비는 5:2로 제작하였으며 높이는 120mm이다). 이 실험전제를 토대로 FEM 시뮬레이션을 실행해본 결과 도 6에 도시된 바와 같이 바람에 의해 기기 안에 난류가 형성되는 것을 확인할 수 있었다(시뮬레이션 상 바람의 방향은 오른쪽에서 왼쪽으로, 풍속은 6.5m/s로 진행함).
도 7은 실험데이터를 위해 설계된 본 발명의 실시예에 따른 디스크 모양 마찰대전기기의 사시도를 도시한 것이다. 본 기기의 최적의 출력 결과를 도출하기 위해 도 7과 같이 전극(30)의 각도(α), 구체(40)의 재질, 직경(d), 개수(N) 및 기기(1)의 높이(h)를 변경해 보았다. 최적실험을 위해 전극(30)의 각도는 0도부터 20도까지 변경하였고, 사용된 구체(40)의 재질은 EPS(Expanded polystyrene)와 PTFE(Polytetrafluoroethylene)이며, 직경은 5mm부터 24mm까지 변경하였으며, 기기(1)의 높이(윗판 포함) 30mm, 60mm, 120mm로 변경하여 구체를 1개부터 다수의 공까지 삽입하였다.
도 8은 본 발명의 실험예에서, 제1전극과, 제2 내지 제8전극 각각의 RMS 전압과, 곡률을 갖는 전극의 각도에 대한 그래프를 도시한 것이다. 즉, 전극(30)의 각도는 디스크(10)의 중심점에서 전극(30)의 곡률부의 원주방향 시각점과 끝지점 간의 각도이며, 가로축에서 2은 제1전극과 제2전극간 전압, 3은 제1전극과 제3전극간, 4는 제1전극과 제4전극간 전압, 5는 제1전극과 제5전극간 전압, 6은 제1전극과 제6전극간 전압, 7은 제1전극과 제7전극간 전압, 8은 제1전극과 제8전극간 전압을 의미한다.
도 9는 본 발명의 실험예에서, 구체(40)의 재질이 EPS, PTFE 일 때, 구체(40) 직경에 따른 RMS 전압 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 10은 본 발명의 실험예에서, 마찰대전기기(1)의 높이 30mm, 60mm, 120mm에서 구체(40)에 대해 개수에 따른 RMS 전압 그래프를 도시한 것이다.
도 11은 실험데이터를 위해 설계된 본 발명의 실시예에 따른 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기(100)의 사시도를 도시한 것이다. 도 12는 본 발명의 실험예에서, 정류기에서 전류된 출력을 커패시터에서 충전하였을 때, 스택 개수에 따른 충전시간 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 13은 본 발명의 실험예에서, 풍속에 따른 정류 전압 그래프를 도시한 것이다.
즉, 도 12는 커패시터에 장치의 정류된 출력으로 충전하였을 때 걸린 시간을 보여주는 것으로, 이를 통해 적층한 발전기(100)의 출력은 디스크를 순차적으로 쌓으면 직류(DC)의 출력과 유사한 것처럼 바뀌며 충전 효율이 효과적으로 증가함을 볼 수 있다. 또한 도 13에 도시된 그래프와 같이 풍속이 빨라질수록 출력도 증가함을 볼 수 있다.
도 14는 본 발명의 실험예에서, 풍력에 따라 세팅 각도가 0도, 반시계 방향으로 15도 회전한 상태, 30도 회전한 상태의 사시도를 도시한 것이다. 도 15는 도 14에서 0도, 15도, 30도 회전 상태에서의 정류 전압 그래프를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예와 같이, 8개의 가이드(20)로 구성되는 경우 45도 마다 동일한 형태가 되므로, 다양한 방향에 대한 바람 에너지를 모두 수집할 수 있다. 또한 45도 내에서도 도 15에 도시된 바와 같이, 거의 동일한 출력을 생성하여 전 방향의 바람에 대해 에너지를 수확할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전기기
10:디스크
20:가이드
30:전극
31:연결선
32:정류기
40:구체
100:전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기

Claims (14)

  1. 디스크 모양 마찰대전기기에 있어서,
    높이 방향으로 사이공간을 갖도록 이격배치되는 디스크;
    상기 사이공간에 배치되어 전 방향 바람에 의해 상기 마찰대전기기를 상기 디스크의 중심점 기준으로 회전시키는 복수의 가이드;
    상기 가이드 각각의 내측끝단과 연결되는 전극; 및
    상기 복수의 가이드에 의해 형성된 상기 사이공간 내의 내측공간에 개제되는 구체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가이드를 통해 바람을 다양한 방향에서 일정한 방향으로 회전하는 난류의 흐름을 상기 내측공간에 생성하여 상기 구체가 상기 내측공간 내에서 일정한 궤도로 회전하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 일정한 궤도로 회전하는 구체 표면과 상기 전극 사이에 마찰대전이 일어나 정전기 유도현상을 통해 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 구체는 유전체로 구성되는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 가이드는 평면방향이 수직으로 n개 배치되며,
    서로 상기 디스크의 원주방향으로 특정간격 이격되고, 각각이 서로 360/n의 소정각도를 이루며 상기 사이공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전극은 상기 가이드 내측끝단에 연결되며 내측으로 만곡된 특정곡률을 갖는 곡률부를 갖는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 특정곡률은 상기 일정한 궤도에 대응되는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 디스크는 복수로 높이 방향으로 상기 사이공간을 갖도록 스택형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 구체는 상기 내측공간 내에 복수로 개제되는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전기기.
  10. 스택형 디스크 모양 마찰대전 발전기에 있어서,
    제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 마찰대전기기;
    상기 마찰대전기기의 n개의 전극에서, 어느 하나 전극과 또 다른 전극 사이를 연결하는 n/2개의 연결선; 및
    각각의 상기 연결선에 연결되어 전위차에 의한 전하는 축적하는 캐패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연결선은 어느 하나의 전극과, 상기 전극과 대향된 위치의 또 다른 전극 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기.
  12. 제 11항에 있어서,
    각각의 상기 캐패시터가 연결되는 배터리;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기.
  13. 디스크 모양 마찰대전 발전기의 작동방법에 있어서,
    디스크 모양 마찰대전기기 측으로 다양한 방향의 바람이 인가되는 단계;
    상기 마찰대전기기가 디스크의 중심점을 기준으로 특정방향으로 회전되는 단계;
    구체가 내측공간 내에서 일정한 궤도에서 회전하는 단계; 및
    일정한 궤도로 회전하는 구체 표면과 상기 전극 사이에 마찰대전이 일어나 정전기 유도현상을 통해 전기에너지를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기의 작동방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 마찰대전기기의 n개의 전극에서, 어느 하나 전극과 또 다른 전극 사이를 연결하는 n/2개의 연결선 각각에 연결된 캐패시터가 전위차에 의한 전하는 축적하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전 방향 바람에서 에너지를 생성하는 디스크 모양 마찰대전 발전기의 작동방법.




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