KR101533158B1 - 열차 내부의 관성력을 이용한 압전 발전 장치 - Google Patents

열차 내부의 관성력을 이용한 압전 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압전 발전 장치는, 일 단이 이동체의 내부에 고정되고 압전소자가 일 측에 부착되는 지지대, 상기 지지대의 타 단에 부착되어 이동체가 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성의 영향을 증대시킬 수 있는 무게추, 및 상기 압전소자에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜줄 수 있는 저장 장치, 정류 장치, 부하 장치 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함하고, 이동체의 흔들림에 의한 관성력을 이용하여 발전한다.

Description

열차 내부의 관성력을 이용한 압전 발전 장치{Piezoelectric Energy Harvester using inertia force in the train}
열차 내부에서 관성력을 이용한 압전 발전 장치를 개시한다. 구체적으로 열차가 가속 혹은 감속할 때 관성에 의해 흔들림이 발생하는데, 이 흔들림을 이용하여 열차의 천정이나 좌석 내부 혹은 측면부에 설치된 압전 발전 장치를 진동시켜 에너지를 수확하고, 수확된 에너지는 발광 장치(light emitting)나 디스플레이(display) 장치 혹은 기타 센서류의 전원으로 사용이 가능한 압전 발전 장치가 개시된다.
열차의 내부에는 조명기기, 음향기기, 영상기기, 각 종 센서류 등 전기를 이용하는 여러 장치들이 있다. 이러한 장치들은 대부분 전국의 발전소를 통해 공급되는 상업용 전력을 이용하고 있는데 이로 인해 넓은 면적을 차지하는 배선문제가 야기된다.
장치마다 독립적으로 전원공급이 가능하다면 이러한 문제는 해결 가능하다. 독립전원으로는 각종 배터리를 사용할 수 있으나, 주기적인 교체 및 점검등의 부대 비용이 발생하게 되며 폐 건전지처리 문제로 인한 환경오염이 발생된다.
공개특허(제10??2013??0009580호)는 복수 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬의 집적 구조로 구성하거나 복수 개의 압전소자를 단층 또는 다층 구조로 구성하는 수류를 이용한 압전 하베스팅 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따른 목적은, 열차가 운행하는 동안 발생하는 가속 혹은 감속시에 관성력에 의한 흔들림을 이용한 압전 발전 장치를 제공하는 것이다.
또한, 일 실시예에 따른 다른 목적은, 흔들림을 이용하여 PZT 혹은 PZT??PZNN등의 압전체를 진동시켜 전기 에너지를 수확하고, 아울러 복수 개의 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 흔들림으로부터 최대의 전력을 수확할 수 있는 압전 발전 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 압전 발전 장치는, 일 단이 이동체의 내부에 고정되고 압전소자가 일 측에 부착되는 지지대, 상기 압전소자에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜줄 수 있는 저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함하고, 이동체의 흔들림에 의한 관성력을 이용하여 발전할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대의 타 단에 부착되어, 이동체가 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성의 영향을 증대시킬 수 있는 무게추를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대와 상기 무게추를 연결하는 관절부를 더 포함하고, 상기 관절부는 상기 압전소자의 변형을 증대시킬 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대는 복수로 구성되고, 상기 복수의 지지대는 하나의 무게추에 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대는 외팔보 형상으로 구성되고, 상기 압전소자는 상기 지지대의 복수 면에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 무게추는 알루미늄, 황동, 스테인레스강 등의 소재를 단독 혹은 혼합 사용하여 구성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 관절부의 형태는 직육면체, 정육면체, 원기둥 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대의 재료는 플라스틱, 금속 등과 같은 재료를 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 무게추와 상기 관절부 혹은 상기 지지대와 상기 관절부의 고정하는 방법은 접착제, 못, 볼트 등 다양한 방법으로 가능하다.
일측에 따르면, 상기 지지대에 부착되는 상기 압전소자의 부착 방법은 한 단면만 부착한 Unimorph 부착 방법과 양면 모두 부착한 Bimorph 부착 방법을 사용 할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 적용부의 경우 저장기기, 정류기기, 부하기기 등의 다양한 장치로 용도에 맞게 사용할 수 있다. 상기 적용부는 저장기기, 정류기기, 부하기기 등을 각각 단독으로 혹은 혼합하여 내부에 설치할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 열차 내부의 관성을 이용한 압전 발전 장치는 이동체 내부에 일 단이 고정되는 지지대, 상기 지지대의 타 단에 연결되고 적어도 하나의 압전소자가 부착되는 무게추, 및 상기 압전소자에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜 줄 정류기기, 저장기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함하고, 이동체 의 흔들림에 의한 관성력을 이용하여 발전할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대와 상기 무게추를 연결하는 관절부를 더 포함하고, 상기 관절부는 상기 압전소자의 변형을 증대시킬 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대는 복수로 구성되고, 상기 복수의 지지대는 하나의 무게추에 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대에 적어도 하나의 압전소자가 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 지지대는 열차 내부에서 활용되지 않는 좌석 내부 빈 공간이나 천정의 일부분 혹은 측면의 공간들을 이용한다.
일측에 따르면, 상기 무게추는 압전소자가 관성력에 의해 최대한으로 휘어질 수 있게 하는 무게로 구성되고, 관성력의 손실을 최소화하여 압전소자에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 독립 전원으로 사용되는 베터리의 환경오염 문제를 해결하기 위해 유용하고, 보다 구체적으로 반영구적 사용이 가능하여 교체의 필요성이 배터리의 그것과 비교해 현저히 적으므로 이로 인해 환경오염 문제를 줄일 수 있다.
또한, 열차의 이동에 의해 생성되는 공기의 흐름을 이용한 발전이므로 버려지는 에너지를 수확하여 발전하는 방식이기에 친환경적이다.
도 1은 일 실시예에 따른 철도차량 내부 상단에 부착된 관성을 이용한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 열차의 천장, 좌석 아래, 측면 벽면에 부착한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 지지대에 압전소자를 복수 면에 부착한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 무게추에 압전소자를 부착한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 무게추 및 지지대에 압전소자를 부착한 압전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 일 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 철도차량 내부 상단에 부착된 관성을 이용한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 일 실시예에 따른 철도차량 내부 상단에 부착된 압전 발전 장치 (100)는 차량이 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성에 의한 변형을 통해 에너지를 수확한 뒤, 그 에너지를 저장 및 즉각적인 사용을 할 수 있다.
본 실시예에서는, 도면에 철도차량이 지나가는 모습을 도시하면서 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어서 차량이 지나가는 터널, 또는 다리에서 보트 또는 유람선이 지나가는 터널, 등에도 상기 압전 발전 장치가 부착될 수 있다.
이러한 압전 발전 장치(100)는 일 단이 이동체의 내부에 고정되고 압전소자(201)가 일 측에 부착되는 지지대(202), 상기 지지대(202)의 타 단에 부착되어 이동체가 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성의 영향을 증대시킬 수 있는 무게추(401), 상기 지지대(202)와 상기 무게추(401)를 연결하는 관절부(301). 및 상기 압전소자(201)에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜줄 수 있는 저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함할 수 있다.
상기 지지대(202)의 재료는 플라스틱, 금속 등과 같은 재료를 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 지지대(202) 외팔보 형상으로 구성될 수 있으며, 이동체의 내부 면에 부착되는 고정단과, 무게추를 부착할 수 있는 자유단으로 구성된다. 상기 고정단은 이동체의 관성력을 그대로 적용받을 수 있도록 이동체와 단단하게 고정이 되며, 상기 자유단의 경우 상기 무게추의 약간의 움직임을 허용할 수 있도록 상기 무게추와 완전하게 고정되지 않을 수 있다.
상기 무게추(401)는 차량이 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성의 영향을 증가시킨다. 상기 무게추(401)는 알루미늄, 황동, 스테인레스강, 철 등의 소재를 단독 혹은 혼합 사용하여 구성할 수 있다. 상기 무게추(401)는 압전소자(201)가 관성력에 의해 최대한으로 휘어질 수 있게 하는 최적의 무게로 설정할 수 있다.
상기 무게추(401)가 차량이 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성에 의해 지지대(202)에 변형을 줄 때, 다수의 지지대가 서로의 변형을 방해할 수 있게 된다. 그렇기 때문에 각각의 지지대(202)가 최대의 변형을 발생시킬 수 있도록 해주는 관절부(301)를 포함할 수 있다.
상기 무게추(401)는 압전소자(201)를 포함한 다수의 지지대(202)에 관절부(301)를 통해 연결된다. 상기 관절부(301)는 상기 압전소자(201)의 변형을 증대시킬 수 있다. 상기 관절부(301)는 상기 무게추(401)가 움직일 수 있는 약간의 공간을 허용하여서, 상기 지지대(202)가 이동체의 가속 또는 감속에 의하여 흔들림에 의한 관성을 흡수하여 관성의 영향을 증대시킬 수 있다.
상기 관절부(301)는 지지대(202)와 무게추(401)가 이루는 각도가 직각 이상의 각도를 형성 할 수 있도록 지지대(202)와 무게추(401)부분을 관통하는 원통형으로 설계될 수 있다. 상기 무게추(401)와 상기 관절부(301) 혹은 상기 지지대(202)와 상기 관절부(301)의 고정하는 방법은 접착제, 못, 볼트 등 다양한 방법으로 가능하다.
상기 지지대(202)는 이동체의 내부에 빈틈없이 고정되어 열차 내부의 관성력을 손실없이 압전소자에 전달해 주는 것이 바람직하다. 이동체와 상기 지지대(202)의 부착이 완벽하게 일어나지 않으면 감쇠효과(damping)가 일어나 압전소자(201)의 발전량이 줄어들 수 있다. 또한, 발전된 전력을 원하는 시스템에 적용할 수 있게끔 해주는 회로장치들은 상기 지지대(202) 내부에 장치되어 사용면적을 최소화 시킬 수 있다.
도 2는 열차(T)의 천장, 좌석(C) 아래, 측면 벽면에 부착한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전 장치(100)은 달리는 이동체의 천장, 좌석의 하부, 또는 좌석 팔걸이, 이동체 내 바닥, 이동체의 측면 벽 등 어느 곳에든 부착될 수 있다. 즉, 상기 지지대(202)는 열차 내부에서 활용되지 않는 좌석 내부 빈 공간이나 천정의 일부분 혹은 측면의 공간들을 이용할 수 있다. 열차 내에서 진동이 잘 전달되는 다양한 위치에 압전 발전 장치(100)를 설치하면, 전력사용에 있어서 큰 이득을 얻을 수 있다.
도 3은 지지대에 압전소자를 복수 면에 부착한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 상기 지지대(202)에 부착되는 상기 압전소자(201)의 부착 방법은 한 단면만 부착한 유니몰프(Unimorph) 부착 방법과 양면 모두 부착한 바이몰프(Bimorph) 부착 방법을 사용 할 수 있다.
도 4는 무게추에 압전소자를 부착한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
일 실시예에 따른 열차 내부의 관성을 이용한 압전 발전 장치(100)는 이동체 내부에 일 단이 고정되는 지지대(202), 상기 지지대의 타 단에 연결되고 적어도 하나의 압전소자(201)가 부착되는 무게추(401), 및 상기 압전소자(201)에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜 줄 정류기기, 저장기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부를 포함하고, 이동체의 흔들림에 의한 관성력을 이용하여 발전할 수 있다.
상기 지지대(202)와 상기 무게추(401)를 연결하는 관절부(301)를 더 포함하고, 상기 관절부(301)는 상기 압전소자의 변형을 증대시킬 수 있다. 상기 지지대(202)는 복수로 구성되고, 상기 복수의 지지대(202)는 하나의 무게추(401)에 연결될 수 있다.
도 5는 무게추 및 지지대에 압전소자를 부착한 압전 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
상기 무게추(401)에 압전소자가 부착되는 것과 더불어, 상기 지지대(202)에 도 적어도 하나의 압전소자(201)가 부착될 수 있다. 이렇게 하면, 지지대와 무게추 모두에 압전소자가 부착되게 되므로, 발전량을 더 높일 수 있다. 상기 무게추는(401) 압전소자(201)가 관성력에 의해 최대한으로 휘어질 수 있게 하는 무게로 구성되고, 관성력의 손실을 최소화하여 압전소자에 전달할 수 있다.
상기 압전 발전 장치(100)를 이용하면, 불필요하게 버려지는 진동 에너지를 유용한 전기 에너지로 포집하여 사용할 수 있으므로, 외부에서 공급되는 전원에 의한 에너지 사용을 줄일 수 있으므로, 전기 에너지 사용 효율이 높아질 것이다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 관성을 이용한 압전 발전 장치
201: 압전소자
202: 지지대
301: 관절부
401: 무게추

Claims (11)

  1. 이동체의 일 단에 고정되는 고정단 및 무게추를 부착할 수 있는 자유단을 포함하고, 압전소자가 일 측에 부착되는 복수의 지지대; 및
    상기 압전소자에서 발전된 전력을 사용 용도에 맞게 변화시켜줄 수 있는 저장기기, 정류기기, 부하기기 중 적어도 하나를 포함하는 적용부;
    상기 복수의 지지대의 자유단과 직접 수직으로 연결되고, 이동체가 가속하거나 감속할 때 발생하는 관성의 영향을 증대시킬 수 있는 하나의 무게추; 및
    상기 지지대와 상기 무게추를 연결하는 관절부를 포함하고,
    상기 관절부는 상기 무게추가 움직일 수 있는 공간을 허용하여 관성의 영향을 증대시키고,
    이동체의 흔들림에 의한 관성력을 이용하여 발전하는 압전 발전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지지대는 외팔보 형상으로 구성되고, 상기 압전소자가 상기 외팔보 형상의 지지대 측면에 부착될 수 있는 압전 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무게추는 알루미늄, 황동, 스테인레스강 중 적어도 하나로 구성되고, 상기 지지대는 플라스틱, 금속 중 적어도 하나로 구성되는 압전 발전 장치.
  7. 삭제
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  11. 삭제
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