KR20230119355A - Triboelectric energy harvester for wind energy harvesting, and energy harvesting device using the same - Google Patents

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KR20230119355A
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표순재
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정진구
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 에너지 하베스터에 관한 것으로, 금속층과 고분자 수지층이 접합되고, 하단에 무게추가 결합된 복수의 가요성 슬랫들; 및 상기 가요성 슬랫들의 상단이 회동 가능하게 나란히 매달리는 상단 트러스를 포함하여 상기 가요성 슬랫들을 지지하는 서포트 트러스를 포함한다. 상기 가요성 슬랫들이 접촉 및 분리될 때 마찰 대전이 발생한다.The present invention relates to an energy harvester, comprising: a plurality of flexible slats to which a metal layer and a polymer resin layer are bonded, and a weight is coupled to a lower end; and a support truss supporting the flexible slats, including an upper end truss on which upper ends of the flexible slats are rotatably suspended side by side. Frictional electrification occurs when the flexible slats come into contact and separate.

Description

바람 에너지 수확을 위한 마찰 대전 에너지 하베스터와 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치{TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTER FOR WIND ENERGY HARVESTING, AND ENERGY HARVESTING DEVICE USING THE SAME}Triboelectric energy harvester for wind energy harvesting and energy harvesting device using the same

본 발명은 바람으로부터 에너지를 생산할 수 있는 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to an energy harvester capable of producing energy from wind.

최근, 자연에 존재하는 다양한 에너지원을 사람이 사용할 수 있는 전기 에너지로 바꾸기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 에너지 하베스터는 일상 생활에서 쉽게 발생하는 진동, 열, 운동 에너지 등을 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 소자이다. Recently, research has been actively conducted to convert various energy sources existing in nature into electrical energy usable by humans. An energy harvester is a device that converts vibration, heat, and kinetic energy that are easily generated in daily life into usable electrical energy.

다양한 에너지 하베스팅 기술 중 하나로, 마찰 대전을 이용한 에너지 하베스팅 기술이 있다. 마찰 대전(Triboelectrification 또는 Contact Electrification)은 서로 다른 재료의 물체가 접촉할 때 접촉면에서 상호 간섭에 의해 각각의 물체에 상반된 극성의 전하가 발생하는 전기 현상이다. 물체들의 접촉면의 반대쪽에 전극을 부착하고, 이들을 서로 연결하면 접촉과 분리시에 발생되는 전하에 의해 전류를 얻을 수 있다. 이러한 원래를 이용한 것이 마찰 대전 에너지 하베스터이다.As one of various energy harvesting technologies, there is an energy harvesting technology using frictional electrification. Triboelectrification (or Contact Electrification) is an electrical phenomenon in which charges of opposite polarity are generated on each object due to mutual interference at the contact surface when objects of different materials come into contact. By attaching electrodes to the opposite side of the contact surface of objects and connecting them together, current can be obtained by the charge generated during contact and separation. The frictional electrification energy harvester uses such a source.

종래의 마찰 대전 바람 에너지 하베스터는 크게 세 가지로 나뉘어질 수 있다. 풍력 발전기와 같은 풍차 구조를 활용하는 하베스터, 관 내부에 깃발과 같은 형태로 한 면이 고정된 필름을 진동시키는 형태의 하베스터, 스페이서(Spacer)가 있는 얇은 평판을 이용하는 하베스터 등이 알려져 있다. Conventional triboelectric wind energy harvesters can be largely divided into three types. A harvester using a windmill structure such as a wind power generator, a harvester in the form of vibrating a film having one side fixed in a flag-like shape inside a tube, a harvester using a thin flat plate with a spacer, and the like are known.

풍차 구조의 하베스터는 면에 평행한 다양한 방향의 바람에 대응해 에너지를 수확할 수 있으나, 회전하는 파트를 포함해 구조가 복잡하며 전극 형성이 어렵고 소자가 차지하는 부피가 크다는 단점이 있다. 관과 필름을 이용하는 하베스터는 상대적으로 구조가 단순하지만, 에너지를 수확할 수 있는 바람의 방향에 제한이 있고 대면적 제작 및 어레이 형태의 제작이 어려운 한계가 있다.Windmill-structured harvesters can harvest energy by responding to winds in various directions parallel to the plane, but have a complex structure including rotating parts, difficult to form electrodes, and a large volume occupied by the elements. Harvesters using tubes and films have a relatively simple structure, but there is a limit to the direction of the wind that can harvest energy, and there are limitations in making large-area and array-type production.

스페이서와 얇은 평판(또는 필름)을 활용한 하베스터는 전방향 바람에 대응해 에너지를 수확할 수 있으나, 대면적 구현이 어렵고 수확 가능한 풍속 범위가 매우 제한되어 있다. A harvester using a spacer and a thin plate (or film) can harvest energy in response to wind in all directions, but it is difficult to implement a large area and the wind speed range that can be harvested is very limited.

이러한 마찰 대전 에너지 하베스터의 문제점들을 개선하기 위하여 우븐(woven) 구조의 깃발 형 하베스터를 개시한 논문이 발표된 바 있으나, 이러한 하베스터 역시 대면적 제작이 용이하지 않고, 구동에 필요한 영역이 넓고 접촉과 분리가 동시에 일어나며 출력이 상쇄되는 한계가 있다. In order to improve the problems of these triboelectric energy harvesters, a paper has been published disclosing a flag-type harvester with a woven structure. occurs simultaneously and there is a limit where the output is offset.

마찰 대전 에너지 하베스터를 이용해 풍속 센서를 개발하고자 하는 연구들이 있었으나, 이러한 하베스터 구조의 한계로 인하여 낮은 풍속 범위의 바람 측정이 어렵고 구조가 복잡한 문제가 있다. There have been studies to develop a wind speed sensor using a triboelectric energy harvester, but due to the limitations of this harvester structure, it is difficult to measure wind in a low wind speed range and the structure is complicated.

본 발명은 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다. The present invention aims to address the aforementioned needs and/or problems.

특히, 본 발명은 바람으로부터 에너지를 수확할 수 있고, 풍속 측정이 가능한 에너지 하베스터와 이를 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공한다. In particular, the present invention provides an energy harvester capable of harvesting energy from wind and measuring wind speed, and an energy harvesting device using the same.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터는 금속층과 고분자 수지층이 접합되고, 하단에 무게추가 결합된 복수의 가요성 슬랫들; 및 상기 가요성 슬랫들의 상단이 회동 가능하게 나란히 매달리는 상단 트러스를 포함하여 상기 가요성 슬랫들을 지지하는 서포트 트러스를 포함한다. An energy harvester according to an embodiment of the present invention includes a plurality of flexible slats in which a metal layer and a polymer resin layer are bonded and a weight is coupled to a lower end; and a support truss supporting the flexible slats, including an upper end truss on which upper ends of the flexible slats are rotatably suspended side by side.

상기 가요성 슬랫들은 지면에 닿지 않는다.The flexible slats do not touch the ground.

상기 가요성 슬랫들은 나란히 배치된 적어도 제1 가요성 슬랫, 제2 가요성 슬랫, 및 제3 가요성 슬랫을 포함한다. 상기 제2 가요성 슬랫의 고분자 수지층이 상기 제1 가요성 슬랫의 금속층과 대향한다. 상기 제2 가요성 슬랫의 금속층이 상기 제3 가요성 슬랫의 고분자 수지층과 대향한다. The flexible slats include at least first flexible slats, second flexible slats, and third flexible slats disposed side by side. The polymer resin layer of the second flexible slat faces the metal layer of the first flexible slat. The metal layer of the second flexible slat faces the polymer resin layer of the third flexible slat.

상기 가요성 슬랫들이 접촉 및 분리될 때 마찰 대전이 발생한다. Frictional electrification occurs when the flexible slats come into contact and separate.

본 발명은 지면에 닿지 않도록 매달린 가요성 슬랫들을 이종 물질의 적층 구조이기 때문에 부피가 작고 가벼우며 저가로 에너지 하베스터를 제작할 수 있다. 이러한 에너지 하베스터는 건물의 실내 및/또는 실외에서 전기 에너지를 수확할 수 있고, 건물의 창에 버티컬 블라인드 커튼으로 활용할 수 있으며 또한, 포터블 하베스터로 활용할 수 있다. Since the flexible slats suspended so as not to touch the ground have a laminated structure of different materials, the energy harvester can be manufactured with a small volume, light weight, and low cost. Such an energy harvester can harvest electric energy indoors and/or outdoors of a building, can be used as a vertical blind curtain on a window of a building, and can also be used as a portable harvester.

본 발명의 에너지 하베스터는 가정용 풍력 발전기와 풍속 센서로 활용될 수 있다.The energy harvester of the present invention can be used as a home wind generator and a wind speed sensor.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터를 보여 주는 사시도이다.
도 2는 가요성 슬랫들의 이종 물질 적층 구조를 보여 주는 도면이다.
도 3은 상단 트러스와 가요성 슬랫들의 연결 구조를 보여 주는 사시도이다.
도 4는 가요성 슬랫들 간의 접촉 및 분리시 발생하는 마찰 대전을 보여 주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 에너지 하베스터의 실험 결과를 보여 주는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 보여 주는 블록도이다. 1 is a perspective view showing an energy harvester according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a stacked structure of different materials of flexible slats.
3 is a perspective view showing a connection structure between an upper truss and flexible slats.
4 is a diagram showing frictional electrification that occurs when flexible slats are contacted and separated.
5a to 5d are views showing experimental results of the energy harvester of the present invention.
6 is a block diagram showing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only the embodiments will make the disclosure of the present invention complete, and those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs It is provided to fully inform the scope of the invention, the invention is defined only by the scope of the claims.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명은 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 실질적으로 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. Since the shape, size, ratio, angle, number, etc. disclosed in the drawings for explaining the embodiments of the present invention are exemplary, the present invention is not limited to those shown in the drawings. Like reference numbers designate substantially like elements throughout the specification. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 명세서 상에서 언급된 “구비한다”, “포함한다”, “갖는다”, “이루어진다” 등이 사용되는 경우 ' ~ 만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수로 해석될 수 있다. When “has”, “includes”, “has”, “is made of”, etc. mentioned in this specification is used, other parts may be added unless 'only' is used. When a component is expressed in the singular, it may be interpreted in the plural unless specifically stated otherwise.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.In interpreting the components, even if there is no separate explicit description, it is interpreted as including the error range.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, ' ~ 상에', ' ~ 상부에', ' ~ 하부에', ' ~ 옆에' 등으로 두 구성요소들 간에 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 그 구성요소들 사이에 하나 이상의 다른 구성 요소가 개재될 수 있다. In the case of a description of a positional relationship, for example, when a positional relationship between two components is described as 'on ~', 'on top of ~', 'on the bottom of ~', 'next to', etc., ' One or more other components may be interposed between those components where 'immediately' or 'directly' is not used.

구성 요소들을 구분하기 위하여 제1, 제2 등이 사용될 수 있으나, 이 구성 요소들은 구성 요소 앞에 붙은 서수나 구성 요소 명칭으로 그 기능이나 구조가 제한되지 않는다. Although first, second, etc. may be used to distinguish the components, the function or structure of these components is not limited to the ordinal number or component name attached to the front of the component.

이하의 실시예들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하다. 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.The following embodiments may be partially or wholly combined or combined with each other, and technically various interlocking and driving operations are possible. Each of the embodiments may be implemented independently of each other or together in an association relationship.

본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명에서 사용되는 용어를 정의한다. Prior to describing the embodiments of the present invention, terms used in the present invention are defined.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스터(100)는 이종 물질이 적층된 복수의 가요성 슬랫들(Flexible slat)(20)을 포함한다. 에너지 하베스터(100)는 가요성 슬랫들(20)을 지시하는 서포트 트러스들(10, 12, 14)을 포함한다. Referring to FIGS. 1 and 2 , the energy harvester 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of flexible slats 20 in which different materials are stacked. The energy harvester 100 includes support trusses 10 , 12 , and 14 pointing to the flexible slats 20 .

에너지 하베스터(100)는 건물의 창문에 설치되어 기존 버티컬 블라인드 커튼 역할을 겸할 수 있다. 이 경우, 서포트 트러스들(10, 12, 14)은 창틀이나 기존 버티컬 블라인드 커튼의 프레임으로 대체될 수 있으므로 생략 가능하다. The energy harvester 100 is installed on a window of a building and can serve as a conventional vertical blind curtain. In this case, the support trusses 10, 12, and 14 can be omitted because they can be replaced with a frame of a window frame or an existing vertical blind curtain.

가요성 슬랫들(20) 각각은 금속층(21)과 고분자 수지층(22)이 접합된 동일한 장방형 구조를 갖는다. 금속층(21)은 금속 예를 들어, 알루미늄(Al)일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 고분자 수지층(22)은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE) 필름으로 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 금속층(21)은 라미네이팅 공정으로 고분자 수지층(22)에 부착될 수 있다. Each of the flexible slats 20 has the same rectangular structure in which the metal layer 21 and the polymer resin layer 22 are bonded. The metal layer 21 may be, for example, aluminum (Al), but is not limited thereto. The polymer resin layer 22 may be selected as a polytetrafluoroethylene (PTFE) film, but is not limited thereto. The metal layer 21 may be attached to the polymer resin layer 22 through a laminating process.

가요성 슬랫들(20)이 서포트 트러스들(10, 12, 14)에 의해 나란히 배열되면, 이웃한 가요성 슬랫들(20)이 서로 다른 물질층으로 대향된다. 도 2에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 가요성 슬랫들(201, 202, 203)이 나란히 배열되어 제2 가요성 슬랫(202)의 좌측에 제1 가요성 슬랫(201)이 있고, 제2 가요성 슬랫(202)의 우측에 제3 가요성 슬랫(203)이 있을 때, 제2 가요성 슬랫(202)의 고분자 수지층(22)이 제1 가요성 슬랫(201)의 금속층(21)과 대향하고, 제2 가요성 슬랫(202)의 금속층(21)이 제3 가요성 슬랫(203)의 고분자 수지층(22)과 대향한다. When flexible slats 20 are arranged side by side by support trusses 10, 12, 14, adjacent flexible slats 20 are opposed to each other with different material layers. As shown in FIG. 2, the first to third flexible slats 201, 202, and 203 are arranged side by side so that the first flexible slat 201 is on the left side of the second flexible slat 202, and When there is a third flexible slat 203 on the right side of the 2 flexible slats 202, the polymer resin layer 22 of the second flexible slat 202 is the metal layer 21 of the first flexible slat 201 ), and the metal layer 21 of the second flexible slats 202 faces the polymer resin layer 22 of the third flexible slats 203.

가요성 슬랫들(20) 각각의 하단에는 질량체 블록(23)이 연결된다. 질량체 블록(23)은 가요성 슬랫들(20)의 무게추 역할을 할 수 있도록 소정 중량의 금속 예를 들면 납(Pb)을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. A mass body block 23 is connected to the lower end of each of the flexible slats 20 . The mass body block 23 may include, but is not limited to, metal of a predetermined weight, for example, lead (Pb), to serve as a weight for the flexible slats 20 .

서포트 트러스들(10, 12, 14)은 가요성 슬랫들(20)이 지면에 닿지 않고 나란히 배열되도록 가요성 슬랫들(20)을 지지한다. 서포트 트러스들(10, 12, 14)은 나란하게 베열된 가요성 슬랫들(20)의 양측에 배치되는 사이드 트러스들(12), 사이드 트러스들(12)의 상단을 연결하는 상단 트러스(14), 및 사이드 트러스들(12)의 하단이 고정되는 베이스 플레이트(10)를 포함한다. The support trusses 10 , 12 , and 14 support the flexible slats 20 so that the flexible slats 20 are arranged side by side without touching the ground. The support trusses 10, 12, and 14 are side trusses 12 disposed on both sides of the flexible slats 20 arranged side by side, and the upper truss 14 connecting the upper ends of the side trusses 12 , and the base plate 10 to which the lower ends of the side trusses 12 are fixed.

사이드 트러스들(12)의 Z축 방향 높이는 가요성 슬랫들(20)이 지면에 닿지 않도록 가요성 슬랫들(20)의 Z축 방향 길이 보다 크게 설정된다. 사이드 트러스들(12) 간의 X축 거리는 가요성 슬랫들(20)의 X축 이동 거리를 충분히 확보하는 거리로 설정된다. The height of the side trusses 12 in the Z-axis direction is set greater than the length of the flexible slats 20 in the Z-axis direction so that the flexible slats 20 do not touch the ground. The X-axis distance between the side trusses 12 is set to a distance that sufficiently secures the X-axis movement distance of the flexible slats 20 .

상단 트러스(14)는 가요성 슬랫들(20)을 위에서 지지한다. 상단 트러스(14)는 가요성 슬랫들(20)이 매달리는 레일(rail) 또는 봉을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가요성 슬랫들(20)의 상단에 결합된 연결부(30)는 상단 트러스(14)의 레일) 또는 봉에 회동 가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 가요성 슬랫들(20)은 상단 트러스(14)에 회동 가능하게 나란히 매달린다. The top truss 14 supports the flexible slats 20 from above. The top truss 14 may include rails or rods on which the flexible slats 20 are suspended. As shown in FIG. 3 , the connecting portion 30 coupled to the upper end of the flexible slats 20 may be rotatably connected to a rail or a rod of the upper truss 14 . Accordingly, the flexible slats 20 are rotatably suspended side by side on the upper truss 14 .

에너지 하베스터(100)는 건물의 실내 또는 실외에 설치될 수 있고, 창틀에 설치되어 기존의 버티컬 블라인드 커튼으로 적용되어 가정용 풍력 발전기와 풍속 센서로 활용될 수 있다. The energy harvester 100 can be installed indoors or outdoors in a building, installed on a window frame and applied as an existing vertical blind curtain to be used as a wind power generator and wind speed sensor for home use.

에너지 하베스터(100)를 버티컬 블라인드 커튼으로 적용하는 경우, 가요성 슬랫들(20)을 상단 트러스(14)에 연결하는 연결부들(30)이 도면에서 생략된 조정줄에 연결될 수 있다. 연결부들(30)과 조정줄의 연결 구조는 기존의 버티컬 블라인드 커튼의 연결 구조를 이용할 수 있다. 사용자가 조정줄을 조작하여 연결부들(30)을 회전시킬 때 가요성 슬랫들(20) 간의 대향 면적을 조정할 수 있고, 연결부들(30) 간의 거리를 조정하여 가요성 슬랫들(20) 간의 거리를 조정할 수 있다. When the energy harvester 100 is applied as a vertical blind curtain, the connecting parts 30 connecting the flexible slats 20 to the upper truss 14 may be connected to a control line omitted from the drawings. The connection structure of the connection parts 30 and the adjustment line may use the connection structure of the existing vertical blind curtain. When the user manipulates the adjustment bar to rotate the connecting parts 30, the opposing area between the flexible slats 20 can be adjusted, and the distance between the flexible slats 20 can be adjusted by adjusting the distance between the connecting parts 30. can be adjusted.

에너지 하베스터(100)는 도 4와 같은 마찰 대전으로 에너지를 수확하여 전기 에너지를 발생할 수 있다. The energy harvester 100 may generate electrical energy by harvesting energy through frictional electrification as shown in FIG. 4 .

도 4를 참조하면, 상단 트러스(14)에 매달린 가요성 슬랫들(20)에 바람에 불어올 때 가요성 슬랫들(20) 사이를 바람이 통과한다. 가요성 슬랫들(20) 사이에서 바람이 통과하면서 와류가 발생되고, 가요성 슬랫들(20)은 와류 유도 진동에 의해 흔들린다. 이 때, 마주 보는 가요성 슬랫들(20)이 접촉하고 분리되는 과정을 반복하게 되고, 가요성 슬랫들(20)이 접촉 및 분리될 때마다 마찰 대전이 발생하여 서로 대향하는 금속층(21)과 고분자 수지층(22)에서 상반된 전하가 발생한다. 따라서, 본 발명의 에너지 하베스터(100)는 건물의 실내 또는 실외에서 바람 에너지를 마찰 대전으로 전기 에너지로 변환하여 전력 에너지를 발생할 수 있다.Referring to FIG. 4 , wind passes between the flexible slats 20 when the wind blows on the flexible slats 20 suspended from the upper truss 14 . As wind passes between the flexible slats 20, vortices are generated, and the flexible slats 20 are shaken by the vortex-induced vibration. At this time, the process of contacting and separating the facing flexible slats 20 is repeated, and frictional electrification occurs whenever the flexible slats 20 contact and separate, so that the metal layer 21 and the metal layer 21 facing each other Opposite charges are generated in the polymer resin layer 22 . Therefore, the energy harvester 100 of the present invention can generate electrical energy by converting wind energy into electrical energy through frictional electrification indoors or outdoors.

본원 발명자들은 에너지 수확 효율과 풍속 측정을 확인하기 위하여 에너지 하베스터(100)에 대한 실험을 실시하였다. 이 실험에서, 150mm와 폭 50mm 크기의 가요성 슬랫들(20)이 상단 트러스(14)에 매달린 에너지 하베스터(100)가 실험 대상 샘플로 이용되었다. 도 5a 내지 도 5d는 실험 결과이다. The present inventors conducted experiments on the energy harvester 100 to confirm energy harvesting efficiency and wind speed measurement. In this experiment, an energy harvester 100 in which flexible slats 20 having a size of 150 mm and a width of 50 mm are suspended from an upper truss 14 was used as a test sample. 5a to 5d are experimental results.

도 5a 내지 도 5c에서, 종축은 시간(sec)이고 횡축은 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(Voltage)이다. 도 5a는 0m/s로부터 5m/s까지 변하는 풍속으로 가요성 슬랫들(20)에 바람을 불어 두 개의 가요성 슬랫들(20)에 대전된 전하로부터 측정된 출력 전압 파형이다. 도 5b는 0m/s로부터 5m/s까지 변하는 풍속으로 가요성 슬랫들(20)에 바람을 불어 네 개의 가요성 슬랫들(20)에 대전된 전하로부터 측정된 출력 전압 파형이다. 도 5c는 0m/s로부터 5m/s까지 변하는 풍속으로 가요성 슬랫들(20)에 바람을 불어 여섯 개의 가요성 슬랫들(20)에 대전된 전하로부터 측정된 출력 전압 파형이다. 도 5d는 0m/s로부터 5m/s까지 변하는 풍속으로 가요성 슬랫들(20)에 바람을 불어 여덟 개의 가요성 슬랫들(20)에 대전된 전하로부터 측정된 출력 전압 파형이다.5A to 5C, the vertical axis is time (sec) and the horizontal axis is the output voltage (Voltage) of the energy harvester 100. 5A is an output voltage waveform measured from charges charged on two flexible slats 20 by blowing the flexible slats 20 at a wind speed varying from 0 m/s to 5 m/s. FIG. 5B is an output voltage waveform measured from charges charged on four flexible slats 20 by blowing the flexible slats 20 at a wind speed varying from 0 m/s to 5 m/s. 5C is an output voltage waveform measured from charges charged on six flexible slats 20 by blowing the flexible slats 20 at a wind speed varying from 0 m/s to 5 m/s. FIG. 5D is an output voltage waveform measured from charges charged on eight flexible slats 20 by blowing the flexible slats 20 at a wind speed varying from 0 m/s to 5 m/s.

이 실험 결과에서, 풍속이 증가함에 따라 에너지 하베스터의 출력 전압이 증가하고, 마찰 대전이 발생하는 가요성 슬랫들(20)이 많아질수록 더 큰 출력 전압을 얻을 수 있었다. 가요성 슬랫 소재의 다양화와 접촉 표면 처리를 통해 수확되는 전력량이 향상될 수 있다. As a result of this experiment, it was found that the output voltage of the energy harvester increases as the wind speed increases, and a larger output voltage can be obtained as the number of flexible slats 20 where frictional electrification occurs increases. The amount of power harvested can be improved by diversifying the material of the flexible slat and treating the contact surface.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 보여 주는 블록도이다. 6 is a block diagram showing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 에너지 하베스팅 장치는 에너지 하베스터(100)의 가요성 슬랫들(20)에 연결된 전처리부(150), 축전기(110), 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Converter, 이하 'ADC'라 함)(120), 및 제어부(130)를 포함한다. Referring to FIG. 6, the energy harvesting device includes a preprocessing unit 150 connected to the flexible slats 20 of the energy harvester 100, a capacitor 110, and an analog to digital converter (ADC) ') (120), and a control unit (130).

전처리부(150)는 가요성 슬랫들(20) 각각의 금속층(21)과 고분자 수지층(22) 중 적어도 하나에 연결되어 전하의 극성이 상반된 이종 물질층들(21, 21) 간의 전압을 증폭한다. 전처리부(150)는 가요성 슬랫들(20)의 출력 전압으로 축전기(110)를 충전한다. The preprocessing unit 150 is connected to at least one of the metal layer 21 and the polymer resin layer 22 of each of the flexible slats 20 to amplify the voltage between the different material layers 21 and 21 having opposite polarities of charge. do. The preprocessor 150 charges the capacitor 110 with the output voltage of the flexible slats 20 .

ADC(120)는 전처리부(150)의 출력 전압과, 축전기(110)의 출력 전압 각각을 디지털 데이터로 변환하여 제어부(130)에 제공한다. 축전기(110)는 범용 축전기 또는 배터리를 포함하여 에너지 하베스터(100)의 출력 전압을 충전한다. The ADC 120 converts the output voltage of the preprocessor 150 and the output voltage of the capacitor 110 into digital data, and provides the converted digital data to the controller 130 . The capacitor 110 charges the output voltage of the energy harvester 100 by including a general-purpose capacitor or battery.

제어부(130)는 ADC(120)로부터 수신된 에너지 하베스터(100)의 출력 전압 데이터를 분석하여 풍속을 판정하고 풍속 데이터를 도면에서 생략된 디스플레이(Display)로 전송되어 디스플레이의 화면 상에 표시될 수 있다. 제어부(130)는 ADC(120)로부터 수신된 축전기(110)의 출력 전압 데이터를 분석하여 축전기(110)의 충전량 및 잔량을 판정한다. 축전기(110)의 충전량 및 잔량 정보를 포함한 데이터는 디스플레이로 전송되어 표시될 수 있다. 제어부(130)는 AP(Application Processor), 마이콤(micom) 등의 범용 프로세서로 구현될 수 있다. The control unit 130 analyzes the output voltage data of the energy harvester 100 received from the ADC 120 to determine the wind speed, and transmits the wind speed data to a display omitted from the drawing to be displayed on the screen of the display. there is. The control unit 130 analyzes the output voltage data of the capacitor 110 received from the ADC 120 to determine the amount of charge and remaining amount of the capacitor 110. Data including information on the amount of charge and remaining amount of the capacitor 110 may be transmitted to and displayed on the display. The control unit 130 may be implemented as a general-purpose processor such as an AP (Application Processor) or a micom.

제어부(130)는 다양한 외부 기기에 연결될 수 있다. 제어부(130)는 외부 기기의 구동에 필요한 전원이 필요할 때 도면에서 생략된 전원 스위치 소자를 이용하여 축전기(110)의 출력 단자를 외부 기기에 연결하여 외부 기기에 전원을 공급할 수 있다. The controller 130 may be connected to various external devices. The control unit 130 may supply power to the external device by connecting the output terminal of the capacitor 110 to the external device using a power switch element omitted from the drawing when power required to drive the external device is required.

이상에서 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과에 기재한 명세서의 내용이 청구항의 필수적인 특징을 특정하는 것은 아니므로, 청구항의 권리범위는 명세서의 내용에 기재된 사항에 의하여 제한되지 않는다.Since the content of the specification described in the problem to be solved, the problem solution, and the effect above does not specify the essential features of the claim, the scope of the claim is not limited by the matters described in the content of the specification.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in more detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and may be variously modified and implemented without departing from the technical spirit of the present invention. . Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

10, 12, 14: 서포트 트러스 20: 가요성 슬랫
100: 에너지 하베스터 110: 축전기
120: ADC 130: 제어부
150: 전처리부10, 12, 14: support truss 20: flexible slat
100: energy harvester 110: capacitor
120: ADC 130: control unit
150: pre-processing unit

Claims (5)

금속층(21)과 고분자 수지층(22)이 접합되고, 하단에 무게추(23)가 결합된 복수의 가요성 슬랫들(20); 및
상기 가요성 슬랫들의 상단이 회동 가능하게 나란히 매달리는 상단 트러스(14)를 포함하여 상기 가요성 슬랫들을 지지하는 서포트 트러스(10, 12, 14)를 포함하고,
상기 가요성 슬랫들(20)이 지면에 닿지 않고,
상기 가요성 슬랫들(20)은,
나란히 배치된 적어도 제1 가요성 슬랫(201), 제2 가요성 슬랫(202), 및 제3 가요성 슬랫(203)을 포함하고,
상기 제2 가요성 슬랫(202)의 고분자 수지층(22)이 상기 제1 가요성 슬랫(201)의 금속층(21)과 대향하고, 상기 제2 가요성 슬랫(202)의 금속층(21)이 상기 제3 가요성 슬랫(203)의 고분자 수지층(22)과 대향하고,
상기 가요성 슬랫들이 접촉 및 분리될 때 마찰 대전이 발생하는 에너지 하베스터. A plurality of flexible slats 20 in which the metal layer 21 and the polymer resin layer 22 are bonded and a weight 23 is coupled to a lower end; and
A support truss (10, 12, 14) supporting the flexible slats, including an upper end truss (14) in which upper ends of the flexible slats are rotatably suspended side by side,
The flexible slats 20 do not touch the ground,
The flexible slats 20,
At least a first flexible slat (201), a second flexible slat (202), and a third flexible slat (203) disposed side by side,
The polymer resin layer 22 of the second flexible slats 202 faces the metal layer 21 of the first flexible slats 201, and the metal layer 21 of the second flexible slats 202 It faces the polymer resin layer 22 of the third flexible slat 203,
An energy harvester in which frictional electrification occurs when the flexible slats contact and separate. 제 1 항에 있어서,
상기 금속층이 알루미늄(Al)을 포함하고,
상기 고분자 수지층은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene)을 포함하는 에너지 하베스터.According to claim 1,
The metal layer includes aluminum (Al),
The polymer resin layer is an energy harvester containing polytetrafluoroethylene. 에너지 하베스터(100);
상기 에너지 하베스터(100)의 출력 전압을 증폭하여 축전기에 충전하는 전처리부(150);
상기 전처리부(150)의 출력 전압과 상기 축전기의 출력 전압을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(120);
상기 아날로그-디지털 변환기(120)로부터 수신된 디지털 데이터를 분석하여 풍속 데이터와 상기 축전기의 충전량 및 잔량 데이터를 발생하고, 상기 축전기의 출력 전압을 외부 기기에 공급하는 제어부(130)를 포함하고,
상기 에너지 하베스터(100)는,
금속층(21)과 고분자 수지층(22)이 접합되고, 하단에 무게추(23)가 결합된 복수의 가요성 슬랫들(20); 및
상기 가요성 슬랫들의 상단이 회동 가능하게 나란히 매달리는 상단 트러스(14)를 포함하여 상기 가요성 슬랫들을 지지하는 서포트 트러스(10, 12, 14)를 포함하고,
상기 가요성 슬랫들(20)이 지면에 닿지 않고,
상기 가요성 슬랫들(20)은,
나란히 배치된 제1 가요성 슬랫(201), 제2 가요성 슬랫(202), 및 제3 가요성 슬랫(203)을 포함하고,
상기 제2 가요성 슬랫(202)의 고분자 수지층(22)이 상기 제1 가요성 슬랫(201)의 금속층(21)과 대향하고, 상기 제2 가요성 슬랫(202)의 금속층(21)이 상기 제3 가요성 슬랫(203)의 고분자 수지층(22)과 대향하고,
상기 가요성 슬랫들이 접촉 및 분리될 때 마찰 대전이 발생하는 에너지 하베스팅 장치.energy harvester 100;
a pre-processing unit 150 that amplifies the output voltage of the energy harvester 100 and charges the capacitor;
an analog-to-digital converter 120 that converts the output voltage of the pre-processor 150 and the output voltage of the capacitor into digital data;
A control unit 130 analyzing digital data received from the analog-to-digital converter 120 to generate wind speed data and charge amount and remaining amount data of the capacitor, and supplying the output voltage of the capacitor to an external device,
The energy harvester 100,
A plurality of flexible slats 20 in which the metal layer 21 and the polymer resin layer 22 are bonded and a weight 23 is coupled to a lower end; and
A support truss (10, 12, 14) supporting the flexible slats, including an upper end truss (14) in which upper ends of the flexible slats are rotatably suspended side by side,
The flexible slats 20 do not touch the ground,
The flexible slats 20,
a first flexible slat 201, a second flexible slat 202, and a third flexible slat 203 disposed side by side;
The polymer resin layer 22 of the second flexible slats 202 faces the metal layer 21 of the first flexible slats 201, and the metal layer 21 of the second flexible slats 202 It faces the polymer resin layer 22 of the third flexible slat 203,
An energy harvesting device in which frictional electrification occurs when the flexible slats contact and separate. 제 3 항에 있어서,
상기 에너지 하베스터(100)가 건물의 실내 또는 실외에 배치되는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 3,
An energy harvesting device in which the energy harvester 100 is disposed indoors or outdoors of a building. 제 3 항에 있어서,
상기 에너지 하베스터(100)가 건물의 창에 배치되는 에너지 하베스팅 장치.
According to claim 3,
An energy harvesting device in which the energy harvester 100 is disposed in a window of a building.
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