KR100622830B1 - High efficient small-sized electric generator using piezoelectric devic - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신발내부에 장착할 수 있도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할 때 소모되는 운동에너지를 전기에너지로 변환 저장하여 외부의 전자기기에 공급할 수 있는 것으로서, 본 발명은 판형 압전소자 자체나 압전소자를 판형 금속판에 접착 혹은 증착한 금속박판을 소성변형을 일으키지 않는 탄성변형 내의 일정한 간격으로 적층하는 직렬 적층구조의 구성방법과 직렬로 적층된 것들을 다수의 병렬구조로 구성하여 신발내부에 설치하여 보행이나 조깅시에 발생하는 전력을 효율적으로 생산하고 축전하는 구조를 갖는다. The present invention is configured to be mounted in a small shoe so that the kinetic energy consumed when walking or jogging can be converted into electrical energy and stored and supplied to an external electronic device, the present invention is a plate-like piezoelectric element itself or piezoelectric The method of construction of a series stacking structure in which a metal sheet bonded or deposited on a plate-shaped metal sheet is laminated at regular intervals within an elastic deformation that does not cause plastic deformation, and a plurality of parallel structures are installed in a shoe and installed inside the shoe. In addition, it has a structure for efficiently producing and storing power generated during jogging.
고안한 장치는 보행하거나 조깅시에 버려지는 에너지를 일상적으로 신고 다니는 신발에 장착할 수 있도록 하고 이를 이용하여 전기에너지로 변환시키고 축전하면 휴대용 전자기기를 구동시키거나 장소의 제약을 받지 않고 전자기기외 충전지를 용이하게 충전할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이 장치는 반영구적으로 사용 가능하고 건전지의 사용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 자원의 낭비도 줄이고 자연환경 보전에도 기여를 할 수 있다. The device can be mounted on shoes worn everyday while walking or jogging, and can be converted into electrical energy by using it. There is an advantage that can easily charge the rechargeable battery. In addition, the device can be used semi-permanently and drastically reduce the use of batteries, thereby reducing the waste of resources and contributing to the preservation of the natural environment.
압전소자,소형발전기,적층,외력전달장치 Piezoelectric element, small generator, lamination, external force transmission device
Description
도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 조립사시도1 is an assembled perspective view of a high efficiency small power generator using a piezoelectric element according to the present invention;
도 2는 본 발명에 있어서 고정봉과 이동봉에 의한 압전소자의 고정상태를 보여주는 사시도Figure 2 is a perspective view showing a fixed state of the piezoelectric element by the fixed rod and the moving rod in the present invention
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도 4는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 내부 조립사시도Figure 4 is an internal assembly perspective view of a high efficiency small generator using a piezoelectric element according to the present invention
도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 전력처리부 회로도5 is a circuit diagram of a power processor of a high efficiency small generator using a piezoelectric element according to the present invention.
<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명><Description of the code used in the main part of the drawing>
1 : 적층부 2 : 케이스부1: laminated part 2: case part
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3 : 외력 전달부 4 : 압전체 지지대(고정봉(43)의 다른 표현)3: external force transmission unit 4: piezoelectric support (another expression of fixing rod 43)
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11 : 압전소자 21 : 케이스 상부11 piezoelectric element 21 upper case
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22 : 상단부 지지대 고정부 23 : 외력전달 장치의 지지대 삽입부22: upper support portion fixing portion 23: support insert portion of the external force transmission device
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24 : 하단부 지지대 고정부 25 : 케이스 하단부24: lower support portion fixing portion 25: case lower portion
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26 : 외력을 받는 판 27 : 외력 전달 지지대 고정부26: plate receiving external force 27: external force transmission support fixture
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31 : 이동봉의 고정체 32 : 이동봉31: fixed body of the moving rod 32: moving rod
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33 : 이동봉의 홈 41 : 고정봉 고정체33: groove of the moving rod 41: fixed rod fixed body
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42 : 고정봉 43 : 고정봉의 홈42: fixed rod 43: groove of the fixed rod
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51 : 브릿지 정류회로 52 : 전류축전을 위한 콘덴스51
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53 : 전류량을 증가 시키고 전압 조정을 위한 저항53: resistance to increase the amount of current and adjust the voltage
54 : 축전지에서 나오는 역전류 방지를 위한 다이오드54: diode to prevent reverse current from the battery
55 : 축전지55 storage battery
본 발명은 판형 압전소자(판형 압전소자 혹은 압전소자를 접착 혹은 증착한 금속판 또는 PVDF 판형 압전소자라 지칭함)를 집적한 시스템을 신발내부에 장착할 수 있도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할 때 소모되는 운동에너지를 전기에너지로 변환 저장하여 외부의 전자기기에 공급할 수 있는 압전체를 이용한 고효율 소형발전 시스템에 관한 것이다. According to the present invention, a system in which a plate-shaped piezoelectric element (referred to as a plate-like piezoelectric element or a metal plate on which a piezoelectric element is adhered or deposited or a PVDF plate-type piezoelectric element) is compactly configured to be mounted in a shoe and consumed when walking or jogging. The present invention relates to a high efficiency small power generation system using a piezoelectric material capable of converting and storing kinetic energy into electrical energy to be supplied to an external electronic device.
경제적인 생활수준이 향상됨에 따라 휴대폰이나 MP3와 같은 휴대용 전자기기의 사용이 급증하고 의복이나 신발과 같이 상시 착용하는 것에도 전자시스템을 접합하는 경향이 일어나고 있다. 따라서 운동량정보 신발이나 위치발신 신발과 같은 휴대용 정보화기기나 배터리나 축전기로 구동하는 소형 휴대용 냉온방기기 등의 사용이 급격히 증가할 것으로 예상된다. 이들은 모두 소형의 축전지들을 사용하고 있으나 축전지의 용량한계로 인하여 사용시간이 제한적이고 충전을 위해 특정기기를 이용해야 되거나 제한된 지역에서 충전해야하는 문제점을 안고 있다. 또한, 어두운 밤에 보행자나 조깅을 하는 사람을 보호하기 위해 신호용으로 LED를 부착한 신발의 경우 일회용 배터리를 장착하여 사용함으로써 제한된 수명과 환경오염 문제의 가능성도 내포하고 있다. As the economic standard of living improves, the use of portable electronic devices such as mobile phones and MP3s is rapidly increasing, and the tendency of bonding electronic systems to regular wear such as clothes and shoes is occurring. Therefore, it is expected that the use of portable information devices such as momentum information shoes and location originating shoes, or small portable air conditioners and devices driven by batteries or capacitors will increase rapidly. They all use small batteries, but due to the capacity limitations of the batteries, they have a limited use time and require the use of specific equipment for charging or charging in limited areas. In addition, shoes with LEDs for signaling to protect pedestrians or joggers in the dark night have a limited lifespan and the possibility of environmental pollution by using disposable batteries.
이러한 휴대용 전자기기들이 갖는 제한적인 전원공급 용량의 문제점과 전력보충 시에 제한된 장소에서 보충해야하는 문제점을 해결하기 위해 소형 휴대용 발전시스템은 매우 유용하다. 이러한 목적으로 수동 발전하는 전력발생장치의 개발결과물이 있으나 상대적으로 크고 평상시에 휴대하기 불편한 점이 많아서 일반적으로 사용되지 않고 있다. 또한, 휴대성을 높이기 위해 항상 착용하는 신발을 이용한 발전 시스템에 대한 제안도 있었다. 이 발전 시스템은 자석으로 둘러싼 케이스에서 발생하는 자장사이에 보행시에 코일이 움직여서 전력을 발생하는 시스템으로 기존의 기계식 발전시스템과 유사하다. 이 시스템은 무겁고 효율이 매우 떨어져 전력의 발생량이 너무 적은 문제점이 있다. Small portable power generation system is very useful to solve the problem of the limited power supply capacity of these portable electronic devices and the problem of supplementing in a limited place when replenishing power. There is a result of the development of a power generating device that is passively generated for this purpose, but it is not generally used because it is relatively large and inconvenient to carry. In addition, there has been a proposal for a power generation system using shoes that are always worn to increase portability. The power generation system is a system that generates electric power by moving coils during walking between magnetic fields generated in a case surrounded by magnets. It is similar to the existing mechanical power generation system. This system has a problem that the power generation is very low and the efficiency is too low and the power generation is too small.
본 발명에서는 외부에서 압력을 가해 변형을 일으키면 전력을 발생하는 압전소자를 이용하여 보행이나 조깅시에 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 원리를 이용하여 효율적인 소형 발전을 가능케 하는 구조를 고안하였다. 전력의 발생은 변형량에 비례하기 때문에 소성변형이 일어나지 않는 범위 내에서 최대한 변형을 할 수 있는 구조와 압전소자 한 개로는 발생할 수 있는 전력의 양이 매우 제한적이기 때문에 다수 개를 사용하여 외력이 가해질 때 모든 압전소자에 동시에 큰 탄성변형을 일으키는 구조가 본 발명의 핵심적 내용이다. 발명한 시스템은 다수의 압전소자들이 동시에 큰 탄성변형을 일으키는 구조를 소형으로 구성하여 신발 내부에 장착하여 걷거나 조깅 시에 발생하는 외력이 동시에 다수의 압전소자를 변형시켜 발생한 전력을 정류회로를 거쳐서 축전지에 저장하는 압전소자를 이용한 고효율 소형발전 시스템이다. The present invention devised a structure that enables efficient small-scale power generation using the principle of converting kinetic energy generated during walking or jogging into electrical energy using a piezoelectric element that generates power when deformation is applied by external pressure. Since the generation of electric power is proportional to the amount of deformation, the structure that can deform as much as possible without plastic deformation and the amount of power that can be generated by one piezoelectric element are very limited. A structure that causes large elastic deformation in all piezoelectric elements at the same time is the core content of the present invention. Invented system consists of a small structure in which a large number of piezoelectric elements cause large elastic deformation at the same time, and is mounted inside the shoe, and the external force generated when walking or jogging deforms the plurality of piezoelectric elements at the same time through the rectifier circuit to accumulate the battery. High efficiency small power generation system using piezoelectric elements stored in
외부에서 물리적인 힘을 가했을 때 압전소자에서 발생되는 전기적 에너지 형태는 매우 높은 순간전압을 보이나 낮은 전류를 가져 비교적 전력의 발생양이 적은 편이다. 이러한 전력 발생량도 압전소자에 가해지는 외력에 대한 압전소자의 체적 변화량에 따라 발생하는 전력의 양도 비례한다. 따라서 충격에 대한 변형량이 커지는 구조를 갖는 것이 전력생산량을 높일 수 있으므로 하나의 대형 압전소자를 이용하여 전력을 발생시키는 것 보다는 여러 개의 박막 압전소자를 직렬 혹은 병렬로 직접하는 구조를 구성하여 모든 압전소자에 외력을 동시에 가하는 것이 가장 효과적이다. The electrical energy generated from the piezoelectric element when the external physical force is applied shows a very high instantaneous voltage, but has a low current and relatively generates little power. The amount of power generated is also proportional to the amount of power generated according to the volume change of the piezoelectric element with respect to the external force applied to the piezoelectric element. Therefore, having a structure in which the deformation amount of impact is large can increase the power production, so that all piezoelectric elements are constructed by directly or several parallel thin film piezoelectric elements rather than generating power using one large piezoelectric element. It is most effective to apply external force at the same time.
본 발명은 다수의 uni-morph 형 혹은 bi-morph 형 압전박판을 소성변형을 일으키지 않는 탄성변형 내의 일정한 간격으로 적층하는 직렬 적층구조의 구성방법과 직렬로 적층된 것들을 다수의 병렬구조로 구성하는 구조를 갖는다. 구조적으로는 박판 압전소자가 직병렬로 구성되었으나 각 압전소자에서 발생하는 전류는 모두 병렬로 집적되는 구성을 갖는다. 따라서 압전소자 고유의 미소한 전류발생을 구조적으로 증폭하는 시스템이 구성된다.The present invention is a structure of a series laminated structure in which a plurality of uni-morph type or bi-morph type piezoelectric thin plates are laminated at regular intervals within an elastic deformation that does not cause plastic deformation, and a structure in which those stacked in series are composed of a plurality of parallel structures. Has Structurally, the thin plate piezoelectric elements are configured in series or parallel, but all the currents generated in each piezoelectric element are integrated in parallel. Therefore, a system for structurally amplifying the micro current generation inherent in the piezoelectric element is constructed.
또한, 신발 내에 장착되도록 소형으로 구성하여 보행이나 조깅을 할때 신발에 가해지는 외력이 직병렬로 구성된 모든 박판 압전소자에 동시에 가해지게 하는 구조를 구성하여 매 순간 발생하는 전력의 세기는 구성된 압전소자의 개수에 비례하여 증폭되어 축전되는 압전소자를 이용한 고효율 소형발전 성능을 제공한다.
In addition, the structure is configured to be small in the shoe so that the external force applied to the shoe when walking or jogging is applied simultaneously to all the thin plate piezoelectric elements configured in series and parallel, the strength of the power generated every moment is configured piezoelectric element It provides a high efficiency small power generation performance using a piezoelectric element that is amplified and stored in proportion to the number of.
본 발명은 신발이라는 한정된 공간에서 최대한의 효율을 얻기 위해서 크기는 작으면서 쉽게 파손되지 않는 여러 개의 판형 압전소자(11)를 일정한 간격을 두어 적층하고, 적층된 압전소자(11)에 외력을 가하면 동시에 변형되는 구조를 포함한다.
이하의 도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 조립사시도이며, 도 2는 본 발명에 있어서 고정봉과 이동봉에 의한 압전소자의 고정상태를 보여주는 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 내부 조립사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 고효율 소형발전기의 전력처리부 회로도이다.According to the present invention, in order to obtain maximum efficiency in a limited space of shoes, a plurality of plate-shaped
1 is an assembled perspective view of a high efficiency small power generator using a piezoelectric element according to the present invention, Figure 2 is a perspective view showing a fixed state of the piezoelectric element by a fixed rod and a moving rod in the present invention, Figure 4 is according to the present invention FIG. 5 is an internal assembly perspective view of a high efficiency small power generator using a piezoelectric element, and FIG. 5 is a circuit diagram of a power processor of the high efficiency small power generator using the piezoelectric element according to the present invention.
도면에 도시된 바와 같이 제안한 본 발명은 크게 4 부분으로 구성되는데 판형 압전소자를 적층하여 구성한 적층부(1), 적층부를 둘러싸서 적층부를 지지하여 외부로부터 가해지는 힘으로부터 적증부를 보호하는 케이스부(2), 외부로부터 발생하는 힘을 각각의 압전소자에 동시에 전달해 주는 외력전달부(3), 그리고 매순간 발생하는 구형파 전압을 브리지회로를 구성하여 정류하고 정류된 전압이 축전지에 잘 저장될 수 있도록 지연회로를 구성하여 저장하는 전력처리부로 구성된다.As shown in the drawings, the present invention is composed of four parts, which includes a
도 1과 도 4에 도시된 바와 같이 상기 적층부(1)는 다수의 판형 압전소자(11)를 직렬로 적층하여 같은 높이로 형성시킨 것을 다수개 병렬로 신발 내에 설치될 수 있는 형태로 배치한다. 병렬로 배치된 다수의 직렬 적층부(1)들은 케이스부(2)의 상하면에 고정되도록 한다. As shown in FIG. 1 and FIG. 4, the
상기 케이스부(2)는 상부(21)와 하부(25)로 구분되는데, 두 판은 다수의 고정봉(42)에 의하여 지지되어져, 보행이나 조깅시에 발생하는 외력에 견딜 수 있도록 구성된다. 보행이나 조깅시에 발생하는 충격력이 적층부(1)의 면에 수직으로 발생하는 힘과 면에 미끄러지는 방향으로 발생하는데, 미끄러지는 방향의 힘에 대해 압전소자(11)들을 지지하기 위해 케이스 상 하판(21,25)을 지지하는 다수개의 고정봉(42)으로 모든 압전소자(11)를 상기 케이스부(2) 내측에 고정시킨다.
이때, 상기 고정봉(42)에는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 모든 판형 압전소자(11)의 측면에 끼워지는 홈(43)이 형성되어, 상기 고정봉(42)으로 상기 모든 판형 압전소자(11)를 고정할 수 있다.
한편, 상기 케이스부(2)의 상판(21)측에는 탄성변형을 일으키는 거리만큼 떨어지게 구성된 외력을 받는 판(26)이 형성되고, 상기 외력을 받는 판(26)에는 상기 모든 판형 압전소자(11)를 삽입시키고 있는 다수의 홈(33)이 형성된 이동봉(32)이 결합된다. 신발에 가해지는 외력이 상기 외력을 받는 판(26)으로 전달되면 상기 이동봉(32)이 미소이동하면서 상기 홈(33)에 삽입되어 있는 모든 압전소자(11)가 고정봉(42)을 중심으로 모멘트가 발생하여 탄성변형을 일으키게 된다.
즉, 본 발명은 수직으로 발생하는 힘에 의해 상기 이동봉(32)은 상기 압전소자(11)를 상하로 미소이동시키고, 상기 고정봉(42)은 상기 압전소자(11)를 고정되도록 지지시킴으로써, 상기 압전소자(11)가 탄성변형을 발생시키는 구조이다. 외력이 사라지면 상기 압전소자(11)를 증식한 금속판의 스프링의 효과로 압력을 받은 압전소자(11)는 각각 탄성력에 의해서 원래의 위치로 복원이 된다. 적층(1)된 다수의 판형 압전소자(11)는 외력에도 탄성변형의 간격을 유지하기 위해 지지봉의 홈(43)에 단단히 끼워져 있다. The case part 2 is divided into an upper part 21 and a lower part 25, and two plates are supported by a plurality of
In this case, as shown in FIG. 2, the fixing
On the other hand, the upper plate 21 side of the case portion 2 is formed with an
That is, according to the present invention, the
적층된 압전소자(11)들은 보행이나 조깅시에 신발에 가해지는 외력을 모든 압전소자(11)에 동시에 전달하는 외력전달부에 의해 외력을 전달받는 구조를 갖는다. 외력전달부(3)는 신발내부에 장착되어 외력을 직접 받는 외력을 받는 판(26)과 받은 외력을 각각의 압전소자에 동시에 전달하는 이동봉(32)로 구성된다. 이동봉(32)은 압력을 직접 받는 외력을 받는 판(26)에 각 압력소자의 병렬배치된 적층부(1) 갯수만큼 부착되어 있다. 이동봉(32)에는 직렬 적층된 압전소자(11)의 수와 같은 홈(33)이 있고 이 홈(33)에 판형 압전소자(11)의 일측이 삽입되어 고정된다. 외력을 직접 받는 부분인 외력을 받는 판(26)은 적층부(1)를 고정하는 케이스부(2)의 상판(21)에서 떨어진 간격을 갖게 되는데, 이 간격이 압전소자(11)가 탄성변형을 일으키는 거리이다. 신발에 외력이 가해지면 이 외력은 외력을 직접 받는 판형 부분(26)에 전달되어 이 부분이 케이스부(2)의 상단부(21)까지 이동하면 케이스(2) 내부에서는 외력을 직접 받는 부분에 부착된 외력을 전달하는 이동봉(32)이 같은 거리만큼 이동하게 되고, 이동봉(32)에 삽입된 모든 압전소자(11)가 고정된 지지부(42)를 축으로 모멘트를 받아 탄성변형하게 되는 구조를 이루고 있다. 따라서 상기 이동봉(32)는 상기 케이스부(2)의 하판에 이격되거나 상기 케이스부의 하판에 구멍을 내어 미소변위거리를 확보할 수 있어야 함은 물론이다. The stacked
신발 내에 설치된 전력발생장치의 압전소자(11)는 발에 압력이 가해졌을 때 인장하고 압력이 사라지면 수축의 두 변형을 일으키고, 이때 각 반대극성의 전압이 발생한다. 이를 도 5에 도시된 바와 같은 브릿지 다이오드(51)를 구성하여 압전소자에서 발생하는 교류전압을 정류한다. 모든 압전소자에서 발생한 전압을 정류하고 이들의 전류를 병렬로 모으는 회로 구조를 갖는다. 모든 발생한 전력은 임펄스 형태이므로 축전지(55)에 축전하기 위해 저항(53)과 컨덴서(52)를 이용한 지연회로를 구성하여 축전한다.The
이상의 구성과 작용에 의해서 본 발명은 신발의 크기와 사용하고자 하는 목적에 따라서 필요한 개수의 압전소자를 소형으로 구성하여 적층시켜 신발에 내장함으로써 제한된 공간에서 최대한의 발전을 하여 공간대비 고효율의 발전을 할 수 있는 장점이 있다. According to the above configuration and operation, the present invention can be constructed in a small number of piezoelectric elements according to the size of the shoe and the purpose of use, and built into the shoe to maximize the development in a limited space, thereby improving the efficiency of the space. There are advantages to it.
보행하거나 조깅시에 버려지는 에너지를 일상적으로 신고 다니는 신발에 장착된 본 발명장치를 이용하여 전기에너지로 변환시키고 축전하면 휴대용 전자기기를 구동시키거나 장소의 제약을 받지 않고 이들의 충전지를 용이하게 충전할 수 있는 장점이 있다. By converting the energy discarded when walking or jogging into electric energy using the present invention device mounted on a shoe, which is carried on a daily basis, and accumulating it, the portable electronic device is easily driven or charged without being restricted by a place. There is an advantage to this.
또한, 이 장치는 반영구적으로 사용 가능하고 건전지의 사용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 자원의 낭비도 줄이고 자연환경 보전에도 기여를 할 수 있다.In addition, the device can be used semi-permanently and drastically reduce the use of batteries, thereby reducing the waste of resources and contributing to the preservation of the natural environment.
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