KR101230597B1 - 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치 - Google Patents

다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101230597B1
KR101230597B1 KR1020110072640A KR20110072640A KR101230597B1 KR 101230597 B1 KR101230597 B1 KR 101230597B1 KR 1020110072640 A KR1020110072640 A KR 1020110072640A KR 20110072640 A KR20110072640 A KR 20110072640A KR 101230597 B1 KR101230597 B1 KR 101230597B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mass
freedom
vibration
vibrate
cantilever
Prior art date
Application number
KR1020110072640A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130011471A (ko
Inventor
장선준
이윤표
윤석진
정형조
김인호
Original Assignee
한국과학기술원
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원, 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020110072640A priority Critical patent/KR101230597B1/ko
Publication of KR20130011471A publication Critical patent/KR20130011471A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101230597B1 publication Critical patent/KR101230597B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Abstract

본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)는, 외부진동에 반응하여 다자유도로 진동하도록 설치되는 질량체(10); 및 질량체(10)의 진동에 반응하여 질량체(10)와 함께 진동하도록 설치되는 압전체(41, 42); 를 포함하여, 압전체(41, 42)에서 발생되는 전기를 수확하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 질량체(10)가 다자유도로 진동하여 그 고유주파수가 인접하여 복수군데에서 나타나기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있게 된다.

Description

다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치{Broadband energy harvesting apparatus using a multi degree-of-freedom vibrating body}
본 발명은 에너지 수확장치에 관한 것으로서, 특히 강체가 다자유도로 진동하도록 하여 그 복수의 고유주파수(natural frequency)들이 인접하여 나타나도록 함으로써 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어지도록 하여 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있도록 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치에 관한 것이다.
에너지 수확(energy harvesting)이란 시설물 주위의 태양에너지, 풍력에너지, 진동에너지 등을 이용하여 전기에너지를 얻는 것을 말한다. 이 중에서 진동기반 에너지 수확방식은 일반적으로 1-자유도(single degree-of-freedom, SDOF)로 진동하는 시스템을 이용하여 왔다. 이는 빔(beam)에 압전체를 부착하고 빔의 끝단에 부착된 질량(proof mass)이 외부진동에 의해 한 방향, 즉 1-자유도로 진동될 때에 빔에 부착되어 있는 압전체가 받는 인장 및 압축력을 통해서 전기를 얻는 것을 말한다. 이 때 얻을 수 있는 최대전력은 외부진동에 의한 주파수와 고유주파수가(natural frequency)가 일치하는 지점에서 공진(resonance)이 일어나 발생하게 되는데, 1-자유도 진동기반의 경우에는 고유주파수가 한 개만 존재하기 때문에 이렇게 공진이 일어나는 주파수 대역이 좁아서 전기발전이 매우 제한적이다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 강체가 다자유도로 진동하도록 하여 그 복수의 고유주파수(natural frequency)들이 인접하여 나타나도록 함으로써 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어지도록 하여 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있도록 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치는,
외부진동에 반응하여 다자유도(multi degree of freedom)로 진동하도록 설치되는 질량체; 및
상기 질량체의 진동에 반응하여 상기 질량체와 함께 진동하도록 설치되는 압전체; 를 포함하여, 상기 압전체에서 발생되는 전기를 수확하는 것을 특징으로 한다.
상기 질량체는 두 개의 캔틸레버에 좌우 양측이 매달리도록 설치되고, 상기 두 개의 캔틸레버는 상하방향으로 진동 가능하도록 설치되어 상기 질량체의 상하 병진운동에 기하여 동일 위상으로 상하 진동하고 상기 질량체의 좌우측으로 기울어지는 회전운동에 기하여 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도로 진동하며, 상기 압전체는 상기 캔틸레버의 진동에 따라 함께 진동하도록 상기 캔틸레버 각각에 설치될 수 있다.
상기 캔틸레버는 두 개가 같은 높이에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치되는 것이 바람직하면, 그 각각은 수평판 형상을 하는 것이 바람직하다.
상기 캔틸레버 각각에는 수직바가 설치되고, 상기 질량체는 상기 수직바 사이에 놓여 그 양단이 상기 수직바에 연결되며, 상기 수직바와 상기 질량체 사이에는 상기 질량체가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어링이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 강체가 다자유도로 진동하여 그 복수의 고유주파수(natural frequency)들이 인접하여 나타나기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)를 설명하기 위한 도면;
도 2 및 도 3은 도 1의 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)의 특성을 측정하기 위한 실험장치를 설명하기 위한 도면;
도 4는 도 2의 실시장치를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성과 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치의 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프;
도 5는 도 2의 실시장치에 대해서 수학적 계산으로 얻어지는 주파수-전압 특성과 실험적으로 오실로스코프(93)를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 1은 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 2-자유도의 경우를 예로 든 것이다. 도 1을 참조하면, 지지대(20)에 두 개의 캔틸레버(cantilever, 31, 32)가 같은 높이에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치된다. 캔틸레버(31, 32)는 상하방향으로 진동이 가능하도록 수평판 형상을 한다. 즉, 캔틸렌버(31, 32)는 지지대(20)와의 결합부위를 축으로 하여 상하로 진동하는 판스프링 역할을 한다. 캔틸레버(31, 32) 각각은 탄성계수 k1 및 k2를 갖는다.
캔틸레버(31, 32) 각각에는 수직바(51, 52)가 설치되고, 수직바(51, 52) 사이에는 질량체(10)가 설치된다. 질량체(10)는 강체(rigid body)로서 질량 m과 관성모멘트(moment of inertia) J를 가진다. 켄틸레버(31, 32)는 질량체(10)의 중심에서 양측으로 거리 d 만큼의 위치에 설치된다.
질량체(10)의 양단은 수직바(51, 52)에 연결되며, 이 때 수직바(51, 52)와 질량체(10)의 연결부위에는 질량체(10)가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어링(61, 62)이 설치된다. 베어링(61, 62)을 설치하는 이유는 후술한다. 캔틸레버(31, 32)에는 캔틸레버(31, 32)의 진동에 따라 함께 진동하도록 압전체(41, 42), 예컨대 PZT가 시트(sheet) 형태로 캔틸레버(31, 32)에 부착 설치된다.
에어콘 실외기, 냉장고, 세탁기 등에서 발생하는 외부진동이 본 발명에 따른 에너지 수확장치(100)에 가해지면, 질량체(10)가 상하로 병진운동하거나, 또는 좌우측으로 기울어지는 회전운동을 하게 된다. 질량체(10)가 상하 병진운동하면 두 개의 켄틸레버(31, 32)는 동일 위상으로 상하 진동하고, 질량체(10)가 좌우측으로 기울어지는 회전운동을 하면 두 개의 캔틸레버(31, 32)는 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도 진동(two degree-of-freedom vibration, 2-DOF vibration)이 이루어진다.
외부진동으로서
Figure 112011056515626-pat00001
의 조화진동(harmonic excitation)이 가해진다고 하면, 질량체(10) 중심에서의 정규화 응답(normalized response)은 X는 아래의 수학식 1과 같이 주어진다.
[수학식 1]
Figure 112011056515626-pat00002
여기서,
Figure 112011056515626-pat00003
는
Figure 112011056515626-pat00004
,
Figure 112011056515626-pat00005
,
Figure 112011056515626-pat00006
,
Figure 112011056515626-pat00007
,
Figure 112011056515626-pat00008
,
Figure 112011056515626-pat00009
,
Figure 112011056515626-pat00010
,
Figure 112011056515626-pat00011
,
Figure 112011056515626-pat00012
,
Figure 112011056515626-pat00013
,
Figure 112011056515626-pat00014
이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)의 특성을 측정하기 위한 실험장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 질량체(10)로는 0.12kg의 질량을 가지는 것을 사용하였으며, 두 개의 캔틸레버(31, 32)는 각각 50mm x 40mm x 0.2mm, 50mm x 35mm x 0.2mm의 길이 x 폭 x 두께를 가지며 T-304 스테인리스 재질의 것을 사용하였다. 압전체(41, 42)로는 20mm x 15mm의 PSI-5A4E 압전시트를 사용하였다.
외부 진동을 가하기 위하여 1.5m/s2의 공칭입력 가속도를 가지는 쉐이커(shaker, 80)가 지지대(20)를 흔들도록 설치되었으며, 그 실제 가속도값을 측정하기 위하여 쉐이커(80)의 위에 가속도계(accelerometer, 70)를 설치하였다. 쉐이커(80)를 통해 0.5~20Hz의 외부 진동수를 가했으며, 이러한 외부 진동은 신호발생기(function generator, 91)를 통해서 에물레이트된(emulated) 조화신호(harmonic signal)를 전력증폭기(power amplifier, 92)를 통해 증폭하여 쉐이커(80)에 제공함으로써 이루어졌다. 쉐이커(80)에 의한 외부 진동에 대해서 압전체(41, 42)에서 발생하는 전압응답(voltage response)은 오실로스코프(oscilloscope, 93)를 통해서 측정하였다.
아래의 표 1은 압전체(41, 42)와 캔틸레버(31, 32)의 구체적인 파라미터를 정리한 것이며, 여기서 모드 31은 쉐이커(80)에 의해 진동되는 주동작 모드(main working mode)이다.
[표 1]
Figure 112011056515626-pat00015
도 4는 도 2의 실시장치를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성과 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치의 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치는 10.9Hz에서 외부 진동과 공진(resonance)이 일어나 하나의 출력전압 피크(peak)를 갖는 반면에, 본 발명에 따른 2-자유도 진동기반 에너지 수확장치(100)는 75V/g 근처에서 두 개의 출력전압 피크를 가지고 55V/g 레벨에서는 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치에 비하여 280% 정도의 대역폭(bandwidth)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 2-자유도의 경우가 1-자유도의 경우에 비하여 공진주파수 대역이 더 넓다는 것을 의미하는 것이다.
도 5는 도 2의 실시장치에 대해서 수학적 계산으로 얻어지는 주파수-전압 특성과 실험적으로 오실로스코프(93)를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다. 계산치는 앞선 수학식 1을 통하여 얻을 수 있다. 도 5의 네모난 박스 안에 확대 도시된 바와 같이, 실험치(파란색 실선)의 경우 계산치(빨간색 점선)와 비교하여 볼 때 공진 피크의 위치가 약간 차이가 나고, 또한 첫 피크 다음에 출력전압의 감소가 더디게 이루어짐을 알 수 있다.
즉, 두 피크 사이의 최대전압레벨이 실험치의 경우가 계산치에 비하여 더 크며 이로 인해 실험적인 경우가 두 피크 사이의 외부 진동 주파수에서 공진이 더 잘 일어나 더 큰 출력전압이 발생한다는 것이다. 실험치와 계산치의 이러한 차이는 캔틸레버(31, 32)의 비선형성(non-linearity)에 기인한 것이다.
두 개의 출력 피크가 너무 많이 떨어져 분리되면 공진대역이 분리되기 때문에 바람직하지 않게 된다. 만약 베어링(61, 62)이 설치되지 않으면 질량체(10)가 수평축을 회전축으로 하여 회전하려는 경향을 가질 때 켄틸레버(31, 32)가 꼬여 뒤틀리려는 힘의 성분을 받게 되므로 두 개의 피크가 몰려 있지 못하고 떨어져 위치할 우려가 있다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 베어링(61, 62)을 설치하는 것이다.
위에서는 2-자유도의 경우에 대해서만 예를 들었지만 3-자유도의 경우에는 출력전압 피크가 3개가 생길 것이고, 6-자유도의 경우에는 출력전압 피크가 6개가 생길 것이다. 따라서 자유도의 수가 많아질수록 공진 주파수 대역이 더 넓어질 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 질량체(10)가 다자유도로 진동하여 그 고유주파수(natural frequency)가 인접하여 복수군데에서 나타나기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있게 된다.
10: 질량체
20: 지지대
31, 32: 캔틸레버(cantilever)
41, 42: 압전체
51, 52: 수직바
61, 62: 베어링
70: 가속도계(accelerometer)
80: 쉐이커(shaker)
91: 신호발생기(function generator)
92: 전력증폭기(power amplifier)
93: 오실로스코프(oscilloscope)
100: 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치

Claims (4)

  1. 외부진동에 반응하여 다자유도(multi degree of freedom)로 진동하도록 설치되는 질량체; 및
    상기 질량체의 진동에 반응하여 상기 질량체와 함께 진동하도록 설치되는 압전체; 를 포함하여, 상기 압전체에서 발생되는 전기를 수확하되,
    상기 질량체는 두 개의 캔틸레버에 좌우 양측이 매달리도록 설치되고, 상기 두 개의 캔틸레버는 상하방향으로 진동 가능하도록 설치되어 상기 질량체의 상하 병진운동에 기하여 동일 위상으로 상하 진동하고 상기 질량체의 좌우측으로 기울어지는 회전운동에 기하여 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도로 진동하며, 상기 압전체는 상기 캔틸레버의 진동에 따라 함께 진동하도록 상기 캔틸레버 각각에 설치되고,
    상기 캔틸레버는 두 개가 같은 높이에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치되며, 그 각각은 수평판 형상을 하며,
    상기 캔틸레버 각각에는 수직바가 설치되고, 상기 질량체는 상기 수직바 사이에 놓여 그 양단이 상기 수직바에 연결되며, 상기 수직바와 상기 질량체 사이에는 상기 질량체가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
KR1020110072640A 2011-07-21 2011-07-21 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치 KR101230597B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110072640A KR101230597B1 (ko) 2011-07-21 2011-07-21 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110072640A KR101230597B1 (ko) 2011-07-21 2011-07-21 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130011471A KR20130011471A (ko) 2013-01-30
KR101230597B1 true KR101230597B1 (ko) 2013-02-06

Family

ID=47840422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110072640A KR101230597B1 (ko) 2011-07-21 2011-07-21 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101230597B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101533158B1 (ko) * 2013-06-13 2015-07-02 한양대학교 산학협력단 열차 내부의 관성력을 이용한 압전 발전 장치
KR20180054032A (ko) * 2016-11-14 2018-05-24 한국세라믹기술원 대역폭이 향상된 압전소자를 구비한 에너지 하베스터
US10694466B2 (en) 2017-06-20 2020-06-23 University Of South Carolina Power optimization for a unit cell metamaterial energy harvester

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4051395A (en) 1975-08-08 1977-09-27 Minnesota Mining And Manufacturing Weight actuated piezoelectric polymeric transducer
US4467236A (en) 1981-01-05 1984-08-21 Piezo Electric Products, Inc. Piezoelectric acousto-electric generator
GB2326275A (en) 1997-06-10 1998-12-16 Daewoo Electronics Co Ltd Piezoelectric battery charger using wafer-array of piezoelectric elements attached to a source of mechanical vibrations, e.g. a motor vehicle engine
US7057330B2 (en) 2003-12-18 2006-06-06 Palo Alto Research Center Incorporated Broad frequency band energy scavenger

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4051395A (en) 1975-08-08 1977-09-27 Minnesota Mining And Manufacturing Weight actuated piezoelectric polymeric transducer
US4467236A (en) 1981-01-05 1984-08-21 Piezo Electric Products, Inc. Piezoelectric acousto-electric generator
GB2326275A (en) 1997-06-10 1998-12-16 Daewoo Electronics Co Ltd Piezoelectric battery charger using wafer-array of piezoelectric elements attached to a source of mechanical vibrations, e.g. a motor vehicle engine
US7057330B2 (en) 2003-12-18 2006-06-06 Palo Alto Research Center Incorporated Broad frequency band energy scavenger

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130011471A (ko) 2013-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Eichhorn et al. Bidirectional frequency tuning of a piezoelectric energy converter based on a cantilever beam
JP6159797B2 (ja) 環境発電装置および方法
Challa et al. Towards an autonomous self-tuning vibration energy harvesting device for wireless sensor network applications
JP5478221B2 (ja) 発電装置
KR101230597B1 (ko) 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치
Dhote et al. Modeling and experimental parametric study of a tri-leg compliant orthoplanar spring based multi-mode piezoelectric energy harvester
Zhan et al. A fundamental numerical and theoretical study for the vibrational properties of nanowires
Eddiai et al. Using PVDF piezoelectric polymers to maximize power harvested by mechanical structure
EP2494689A2 (en) Nonlinear oscillator for vibration energy harvesting
Ahmad et al. Multi-degrees of freedom energy harvesting for broad-band vibration frequency range: A review
JP6758041B2 (ja) 制振発電装置および制振発電装置を備えた高架橋
CN103762888A (zh) 杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置
JP5478279B2 (ja) 防振台及び発電システム
KR101259619B1 (ko) 선박의 발전 장치 및 그 방법
KR101053487B1 (ko) 진동주파수 변환장치, 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집기 및 에너지 포집방법
KR101713798B1 (ko) 광대역 압전 에너지 하베스터
Litak et al. Dynamics of composite nonlinear systems and materials for engineering applications and energy harvesting–The role of nonlinear dynamics and complexity in new developments
Suhaimi et al. A combined softening and hardening mechanism for low frequency human motion energy harvesting application
KR101672653B1 (ko) Mr 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워
KR101652815B1 (ko) 캔틸레버 및 이를 이용한 에너지 하베스터
CN109728746B (zh) 一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置
Li et al. Dual resonant structure for energy harvesting from random vibration sources
Tuan et al. Modeling and Simulation of MEMS-Based Piezoelectric Energy Harvester
Cottone et al. Bistable multiple-mass elecrostatic generator for low-frequency vibration energy harvesting
JP2014011843A (ja) 振動発電装置及び振動発電装置の設計方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151229

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161226

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee