KR101286714B1 - 압전 에너지 수확 장치 - Google Patents
압전 에너지 수확 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101286714B1 KR101286714B1 KR1020120019738A KR20120019738A KR101286714B1 KR 101286714 B1 KR101286714 B1 KR 101286714B1 KR 1020120019738 A KR1020120019738 A KR 1020120019738A KR 20120019738 A KR20120019738 A KR 20120019738A KR 101286714 B1 KR101286714 B1 KR 101286714B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- piezoelectric
- central body
- energy harvesting
- mass
- plates
- Prior art date
Links
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
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
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- 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
-
- 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
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
압전 에너지 수확 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치는, 중앙 몸체; 상기 중앙 몸체의 외면에 복수개가 소정 간격으로 설치되는 압전판; 상기 압전판의 길이 방향의 말단에 설치되는 질량체; 및 상기 질량체로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 환형의 자성체를 포함한다.
Description
본 발명은 압전 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 주파수 대역대를 갖는 환경진동으로부터 중심주파수를 동조시켜 에너지를 광대역 범위에서 수확할 수 있는 압전 에너지 수확 장치에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈 및 고비용, 환경 오염 등의 이유로 인해 조력, 태양력, 풍력 등과 같은 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 그리고, 주변의 에너지원으로부터 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 중 태양 에너지, 풍력 에너지 등으로부터 전력을 생산하는 방법 외에 압전 현상(Piezoelectric Effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법이 있다.
압전 형상을 이용한 에너지 하베스팅은 자연에서 버려지는 진동 에너지, 즉 기차의 진동, 모터의 진동, 자동차 엔진의 진동 등 버려지는 기계적인 에너지를 압전 소자를 이용하여 전기적인 에너지로 변환하여 이용한다. 압전 현상을 이용하여 에너지를 수확하는 원리는 진동에 의한 기계적 에너지가 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형에 의해 분극(polarization)이 발생되어 전압을 발생하는 압전 소자의 물리적 성질을 이용하는 것이다. 압전 소자에 쓰이는 압전 물질은 기계적 응력에 비례하여 전하를 일으키는 결정성 물질이 사용된다.
종래의 압전 현상을 이용한 에너지 수확 장치는 구조물의 진동이 구조물에 연결된 캔틸레버(cantilever)에 전달되어 캔틸레버가 진동하면서 캔틸레버에 부착된 압전 소자를 변형시키고, 이러한 변형이 분극을 일으켜 전압이 발생되고, 이를 이용하여 전력을 공급한다. 캔틸레버와 캔틸레버에 부착된 압전 소자를 이용하여 다양한 구조물의 진동으로부터 에너지를 수확하는 장치는 에너지 수확 장치의 고유진동수에 대응하는 가진주파수를 가진 구조물에 설치되는 경우에는 공진(resonance)에 의해 충분한 전력을 얻을 수 있으나, 상기 고유진동수를 벗어나면 전력의 출력이 급격히 감소하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광대역의 가진주파수에 대응이 가능하고 중심주파수 동조가 가능한 압전 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광대역의 가진주파수에 대응이 가능함과 동시에 진동의 방향성을 고려하여 여러 방향의 주파수에 대응이 가능한 압전 에너지 수확 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치는, 중앙 몸체; 상기 중앙 몸체의 외면에 복수개가 소정 간격으로 설치되는 압전판; 상기 압전판의 길이 방향의 말단에 설치되는 질량체; 및 상기 질량체로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 환형의 자성체를 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치는, 원뿔 또는 원뿔대 형상의 중앙 몸체; 상기 중앙 몸체의 외면에 소정 간격으로 복수개 부착되며, 길이 방향의 말단에 질량체를 포함하는 압전판; 및 상기 중앙 몸체 및 복수의 압전판을 포위하여 상기 질량체로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 환형의 자성체를 포함하며, 상기 중앙 몸체를 길이 방향으로 가로지르는 가상의 중심선으로부터 상기 압전판의 말단까지의 거리가 모두 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 외부 진동의 주파수로부터 공진에 의해 에너지를 광대역에서 수확할 수 있어 전력 수확 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 각각 다른 고유진동수를 갖는 압전판을 연결하여 전체적으로 동조 가능한 주파수 대역을 넓힐 수 있다.
그리고, 상하진동뿐만 아니라 좌우 진동 및 기타 여러 방향의 진동을 고려하여 압전판을 배치하여 하나의 모듈로 여러 방향의 진동에 대해 동조 가능하도록 설계하여 전력 수확 효율을 향상시키고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 사시도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 단면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치에 사용되는 압전판의 구성도이다.
도 7은 하나의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 복수의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 사시도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 단면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치에 사용되는 압전판의 구성도이다.
도 7은 하나의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 복수의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
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 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 구성도이다.
압전 에너지 수확 장치(100)는, 중앙 몸체(110), 압전판(120), 질량체(130) 및 환형의 자성체(140)를 포함할 수 있다. 또한, 저장모듈(150)을 더 포함할 수 있다.
중앙 몸체(110)는 원주면에 압전판(120)이 연결되어 설치되는 곳으로, 원뿔 또는 원뿔대 등의 형상을 가질 수 있다. 다른 다각형뿔 또는 다각형뿔대나 다각기둥, 원기둥 등의 형상으로 이루어질 수도 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
또한, 중앙 몸체(110)의 내부에는 저장모듈(150)이 설치될 수 있으며, 중앙 몸체(110)의 원주면에 연결되는 복수의 압전판(120)이 중앙 몸체(110)의 내부에서 직렬 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다.
압전판(120)은 소정 두께를 가지는 부재로서 전압을 발생시키는 기능을 하며, 중앙 몸체(110)의 외면에 복수개가 소정 간격으로 설치된다. 이때 수평 방향의 원주면에 소정 간격으로 설치됨과 동시에 수직 방향으로도 일렬로 설치되는 것이 바람직하다.
도 1에서 중앙 몸체(110)의 외면에 복수의 압전판(120)이 각각 부채꼴 형상으로 이루어져 서로 소정 간격을 두고 배치되어 있는 것이 도시되어 있다. 압전판(120)은 부채꼴 형상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 사각형 형상 등 여러 형상으로 변형 가능함은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 그리고, 각 압전판(120)이 놓인 수평 방향 평면을 기준으로 전체적으로 폐곡선을 이루며, 원형을 이루는 것이 바람직하다.
압전 에너지 수확 장치(100)와 외부 진동원이 공진을 하기 위해서는 압전판(120)의 고유진동수를 외부진동의 진동수에 맞추어야 한다. 이를 위해, 중앙 몸체(110)에 연결되는 복수의 압전판(120)은 그 말단이 동일 수직 선상에 위치할 수 있으며, 이에 따라 중앙 몸체(110)의 상부 위치에서 하부 위치로 갈수록 압전판(120)의 길이가 일정하게 짧아지게 된다. 그러므로, 압전판(120)의 길이가 서로 다르게 되어 길이가 다른 압전판(120) 간 고유주파수가 상이하여 광대역의 주파수에 대응이 가능하다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 각 압전판(120)은 압전체(121) 및 상기 압전체(121)에 부착된 한 쌍의 전극(123, 124)으로 이루어질 수 있다. 압전체(121)는 소정 두께를 가지고 양면에 한 쌍의 전극(123, 124)이 부착된다. 기계적인 압력이 압전체(121)에 가해졌을 때, 상부 전극(123) 및 하부 전극(124)과 상기 압전체(121)가 수직 방향으로 분극(polarization)이 일어나서 전압이 발생된다. 여기에서, 전극(123, 124)은 백금 또는 은을 사용하고, 압전체(121)는 PZT 계열의 세라믹 박막 등을 사용할 수 있다.
그리고, 도 3에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 전극(123, 124)은 압전판(120)의 진동에 의해 발생하는 에너지를 저장하는 저장모듈(150)과 전기적으로 연결된다. 전극(123, 124)이 저장모듈(150)에 연결되는 경우, 복수의 압전판(120) 은 서로 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 또는, 일부의 압전판(120)은 직렬로 나머지 압전판(120)은 병렬로 혼합한 직병렬 연결도 가능함은 물론이다.
압전판(120)이 직렬로 연결되는 경우 1차 고유진동수들로 구성된 1차 고유진동수 대역폭이 목표한 압전 에너지 수확 장치(100)의 중심주파수 대역폭에 근접할 수 있도록 압전판(120)의 반경 및 이에 따른 중앙 몸체(110)의 형상비를 설계할 수 있다. 또한, 압전판(120)의 평균 너비를 결정하는 원주 모서리(circumferential edge)들 사이 각도를 조절하여 구성되는 2차 고유진동수 대역폭을 상기 1차 고유진동수 대역폭에 중첩(superposition)할 수 있어 최종적으로 목표한 중심주파수 대역폭을 만족시킬 수 있다.
한편, 압전 에너지 수확 장치(100)의 중심주파수를 다르게 설계하고 압전판(120)을 병렬로 연결함으로써 전기적인 주파수 동조가 가능할 수 있도록 설계할 수도 있다.
질량체(130)는 압전판(120)의 길이 방향의 말단에 설치된다. 질량체(130)는 동일한 물질로 만들어지는 것이 바람직하나, 다른 물질로 만들어져 압전판(120)의 고유진동수를 다르게 할 수도 있다. 그리고, 질량체(130)는 적어도 하나의 질량체(130)가 다른 질량체(130)와 질량이 상이하여 상기 적어도 하나의 질량체(130)가 설치된 압전판(120)이 다른 압전판(120)과 서로 다른 고유진동수를 가지도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 각 압전판(120)은 서로 다른 크기 및/또는 물질로 이루어져 압전판(120)의 고유진동수를 적절히 설계할 수 있다.
질량체(130)는 압전판(120)의 고유진동수 설계 시 집중질량의 역할을 수행하게 되고, 이를 외부의 자기장을 이용하여 인력이나 척력을 가할 수 있도록 강자성 금속(철, 코발트 등)이나 희도류의 영구자석을 질량체(130)의 물질로 사용할 수 있다. 즉, 질량체(130)는 자성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 외부 자기장을 이용하여 질량체(130)에 인력 또는 척력을 가할 수 있을 경우 압전판(120)의 축 방향 초기부하를 적절히 조절할 수 있어 압전 에너지 수확 장치(100)의 중심주파수 변조가 가능하게 된다.
환형의 자성체(140)는 질량체(130)로부터 소정 거리 이격되어 위치한다. 여기에서, 환형의 자성체(140)는 질량체(130)에 자기장을 제공하게 된다. 압전판(120)의 말단에 연결된 질량체(130)에 의한 부하에 의해 압전판(120)에 비선형성이 발생할 수 있으나, 환형의 자성체(140)가 질량체(130)에 자기력을 가하여 초기부하를 억제할 수 있다.
도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 환형의 자성체(140)는 수직 방향으로 일렬로 설치된 압전판(120)의 행 수에 대응하여 동일한 수의 환형 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 자성체(140)는 중앙 몸체(110)의 외면에 설치되는 압전판(120)의 층수와 동일한 층수의 다층의 환형으로 형성될 수 있다.
저장모듈(150)은 압전판(120)을 통해 발생한 전압을 변환하여 에너지를 저장하는 모듈이다. 저장모듈(150)은 중앙 몸체(110)의 내부에 위치하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 다른 곳에 설치될 수도 있다.
이에 따라, 압전 에너지 수확 장치(100)는 중앙에 위치한 원뿔(대) 형상의 중앙 몸체(110)에 복수의 압전판(120)을 수직 및/또는 수평 방향으로 소정 간격으로 결합하고, 배치된 복수의 압전판(120)을 전기적으로 직렬 연결하여 이 압전판(120)들이 외부 가진주파수에 대해 동조할 때 발생하는 응력에 의한 압전 에너지를 중앙 몸체(110) 내부에 위치한 저장모듈(150)에 저장하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 사시도이며, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 부분 단면도이다.
복수의 압전판(120)이 중앙 몸체(110)에 연결될 때, 압전판(120)의 각도를 서로 다르게 하여 연결하면 압전판(120)의 고유주파수를 다르게 설계할 수 있는 이점이 있다. 이는 주파수의 방향성까지 고려한 것이다. 압전판(120)을 평행하게 설치한 경우 상하 진도에 대해 주파수 동조가 일어날 것이다. 그러나, 압전판(120)이 중앙 몸체의 상부 위치에서 하부 위치로 갈수록 소정 각도로 일정하게 회전하여 설치되는 경우 모든 방향의 진동에 대해서도 주파수 동조가 일어난다. 즉, 모든 압전판(120)을 서로 평행하게 배열하지 않고, 도 4 및 5에 도시한 바와 같이, 각기 다른 각도를 갖는 구조로 배열을 함으로써, 하나의 모듈로 여러 방향의 진동에 대해 동조 가능하도록 할 수 있다.
도 4 및 5에 따른 압전판(120)의 배치를 통해 지면에 평행하게 배치되는 압전판(120)은 상하 진동에 동조 가능하고, 지면에 수직하게 배치되는 압전판(120)은 좌우 진동에 동조 가능하게 된다. 특히, 중앙 몸체(110)의 최상부 위치의 압전판들(120)은 세워서 수직 설치하며, 상기 중앙 몸체(110)의 최하부 위치의 압전판들(120)은 눕혀서 평행 설치하고, 상기 최상부 및 최하부 사이의 압전판들(120)은 일정 각도 회전하여 설치하는 것이 바람직하다.
즉, 중앙 몸체(110)의 상부에 위치한 압전판(120)은 비교적 길이가 길어 저주파 대역의 고유진동수를 갖게 되므로, 바닥 면에 수직하게 설치하여 저주파 대역을 주로 갖는 좌우 진동에 적합하게 된다. 반면에, 중앙 몸체(110)의 하부에 위치한 압전판(120)은 비교적 길이가 짧아 고주파 대역의 고유진동수를 갖게 되므로, 바닥 면에 수평하게 설치하여 고주파 대역을 주로 갖는 상하 진동에 적합하게 된다. 또한, 중간 부분에 위치한 압전판(120)은 0~90도 사이의 각도로 설치되어 중간 대역의 고유진동수를 갖는 진동의 동조에 적합하게 된다. 이러한, 설계를 위한 구체적인 계산식은 후술하여 살펴 보도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치에 사용되는 압전판의 구성도이다.
압전 에너지 수확 장치(100)는 주변의 진동원과 공진(resonance) 시 가장 큰 변위를 나타내며, 이때 발생하는 전압이 가장 큰 값을 가지게 된다. 즉, 공진 시 기계적 진동에너지에서 전기에너지로의 변환 효율이 가장 크다. 전술한 바와 같이, 압전 에너지 수확 장치(100)와 외부 진동원이 공진을 하기 위해서는 압전판(120)의 고유진동수를 외부진동의 진동수에 맞추어야 한다. 압전판(120)의 고유진동수는 크기와 밀접한 관련이 있다.
일반적으로, 빔 형상의 소자는 소자의 질량, 길이, 단면 관성 모멘트, 경계 조건 등에 의해 소자의 고유진동수가 결정된다. 이를 기초로 압전판(120)은 도 6과 같이 모델링하여 도식화할 수 있다.
도 6에서, 압전판(120)의 질량은 Mb, 압전판(120)의 말단에 위치한 질량체(130)의 집중질량은 M, 압전판(120)의 길이는 L로 표시되어 있다. 그리고, 압전판(120)의 영률(Young's modulus)를 E, 압전판(120)의 단면(cross section)의 관성모멘트(Moment of inertial)를 I라 하면, 압전판(120)의 고유진동수 ω는 다음의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
위의 수학식 1에 따라, 압전판(120)의 길이 및 질량, 질량체(130)의 질량 등을 조절하여 압전판(120)의 고유진동수가 압전 에너지 수확 장치(100)의 목표로 하는 주파수와 같은 크기가 되도록 설계하여 목표 주파수에 대해 압전판(120)이 동조할 수 있다.
주파수 동조가 일어나면, 압전판(120)이 고유진동수의 주파수를 갖고 진동하게 되고, 이러한 진동에 의해 압전판(120)에 응력이 가해져 압전물질의 특성상 응력이 가해질 때 전극(123, 124) 사이에 전압이 발생한다. 이를 통해 전기 에너지를 저장하여 에너지를 수확하게 되는 것이다. 여기에서, 각각 다른 고유진동수를 갖는 여러 개의 압전판(120)을 직렬 연결하여 전체적으로 동조 가능한 주파수 대역을 넓힐 수 있다.
도 7은 하나의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이며, 도 8은 복수의 압전판에 따른 주파수와 에너지 수득과의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 하나의 압전판(120)을 이용하는 경우, 한 개의 주파수에서만 에너지를 수확할 수 있다.
그러나, 도 8에 도시한 바와 같이, 여러 개의 압전판(120)을 이용하는 경우, 각각 다른 고유진동수를 갖는 압전판(120)을 직렬 연결하여 주파수 대역폭을 확장하여 전기 에너지를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치의 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 수확 장치(200)는, 원뿔 또는 원뿔대 형상을 가지는 중앙 몸체(210), 상기 중앙 몸체(210)의 외면에 소정 간격으로 복수개 부착되며, 길이 방향의 말단에 질량체(230)를 포함하는 압전판(220) 및 상기 중앙 몸체(210) 및 복수의 압전판(220)을 포위하여 상기 질량체(230)로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 환형의 자성체(240)를 포함할 수 있다. 중앙 몸체(210), 압전판(220), 환형의 자성체(240) 등의 구체적인 구성은 전술한 바와 같으므로 생략하도록 한다.
여기에서, 중앙 몸체(210)를 길이 방향으로 가로지르는 가상의 중심선으로부터 압전판(220)의 말단까지의 거리, 즉 질량체(230)의 말단까지의 거리가 모두 동일한 것이 바람직하다. 중앙 몸체(210)가 원뿔(대) 형상이므로, 중앙 몸체(210)의 상부에 연결된 압전판(220)의 길이가 하부에 연결된 압전판(220)의 길이보다 더 길게 된다. 이에 따라, 중앙 몸체(210)의 상부에 부착된 압전판들(220)은 하부에 부착된 압전판들(220)보다 작은 고유진동수를 가지게 된다.
그리하여, 중앙 몸체(210)의 최상부에 위치한 압전판들(220)은 좌우 진동에 동조하기 위해 상기 중앙 몸체(210)의 저면에 수직하게 부착되며, 상기 중앙 몸체(210)의 최하부에 위치한 압전판들(220)은 상하 진동에 동조하기 위해 상기 중앙 몸체(210)의 저면에 수평하게 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 중앙 몸체(210)의 최상부에 위치한 압전판들(220)과 상기 중앙 몸체(210)의 최하부에 위치한 압전판들(220) 사이에 위치한 압전판들(220)은, 상기 중앙 몸체(210)의 저면과 소정 각도를 이루어 부착되는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 압전 에너지 수확 장치 110: 중앙 몸체
120: 압전판 130: 질량체
140: 환형의 자성체 150: 저장모듈
120: 압전판 130: 질량체
140: 환형의 자성체 150: 저장모듈
Claims (15)
- 중앙 몸체;
상기 중앙 몸체의 외면에 복수개가 소정 간격으로 설치되는 압전판;
상기 압전판의 길이 방향의 말단에 설치되는 질량체; 및
상기 질량체로부터 소정 거리 이격되어 위치하며, 상기 중앙 몸체의 외면에 설치되는 압전판의 층수와 동일한 층수의 다층의 환형으로 형성되는 자성체를 포함하는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 중앙 몸체는, 원뿔 또는 원뿔대 중 적어도 하나의 형상인, 압전 에너지 수확 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 압전판은, 상기 중앙 몸체의 상부 위치에서 하부 위치로 갈수록 길이가 일정하게 짧아지는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 압전판은, 상기 중앙 몸체의 상부 위치에서 하부 위치로 갈수록 소정 각도로 일정하게 회전하여 설치되는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 중앙 몸체의 최상부 위치의 압전판들은 상기 압전판들을 세워서 수직 설치되며, 상기 중앙 몸체의 최하부 위치의 압전판들은 상기 압전판들을 눕혀서 평행 설치되고, 상기 최상부 및 최하부 사이의 압전판들은 일정 각도 회전하여 설치되는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 압전판은, 압전체 및 상기 압전체에 부착된 한 쌍의 전극을 포함하는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 질량체는, 적어도 하나의 질량체가 다른 질량체와 질량이 상이하여 상기 적어도 하나의 질량체가 설치된 압전판이 다른 압전판과 서로 다른 고유진동수를 가지는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 압전판을 서로 직렬 연결함으로써, 에너지를 획득하기 위한 주파수의 대역폭을 확장하는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 질량체는, 자성을 가지는 물질로 이루어지는, 압전 에너지 수확 장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 중앙 몸체의 내부에 상기 압전판의 진동에 의해 발생하는 에너지를 저장하는 저장모듈을 더 포함하는, 압전 에너지 수확 장치. - 원뿔 또는 원뿔대 형상의 중앙 몸체;
상기 중앙 몸체의 외면에 소정 간격으로 복수개 부착되며, 길이 방향의 말단에 질량체를 포함하는 압전판; 및
상기 중앙 몸체 및 복수의 압전판을 포위하여 상기 질량체로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 환형의 자성체를 포함하며,
상기 중앙 몸체를 길이 방향으로 가로지르는 가상의 중심선으로부터 상기 압전판의 말단까지의 거리가 모두 동일하며, 상기 중앙 몸체의 상부에 부착된 압전판들은 하부에 부착된 압전판들보다 작은 고유진동수를 가지는, 압전 에너지 수확 장치. - 삭제
- 제 12항에 있어서,
상기 중앙 몸체의 최상부에 위치한 압전판들은 좌우 진동에 동조하기 위해 상기 중앙 몸체의 저면에 수직하게 부착되며, 상기 중앙 몸체의 최하부에 위치한 압전판들은 상하 진동에 동조하기 위해 상기 중앙 몸체의 저면에 수평하게 부착되는, 압전 에너지 수확 장치. - 제 14항에 있어서,
상기 중앙 몸체의 최상부에 위치한 압전판들과 상기 중앙 몸체의 최하부에 위치한 압전판들 사이에 위치한 압전판들은, 상기 중앙 몸체의 저면과 소정 각도를 이루어 부착되는, 압전 에너지 수확 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120019738A KR101286714B1 (ko) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | 압전 에너지 수확 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120019738A KR101286714B1 (ko) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | 압전 에너지 수확 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101286714B1 true KR101286714B1 (ko) | 2013-07-16 |
Family
ID=48997483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120019738A KR101286714B1 (ko) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | 압전 에너지 수확 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101286714B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITTO20130652A1 (it) * | 2013-07-31 | 2015-02-01 | Milano Politecnico | Trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell'energia e metodo per la raccolta di energia mediante un trasduttore piezoelettrico |
| WO2015157377A1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-10-15 | Campbell Ira L | Piezoelectric energy harvesting systems and methods |
| KR101831629B1 (ko) * | 2016-07-18 | 2018-02-23 | 김윤기 | 도로용 압전 발전장치 |
| WO2018189545A1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-10-18 | Cambridge Enterprise Limited | A vibration-based energy harvester comprising a proof mass surrounding a central anchor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100691796B1 (ko) * | 2005-10-10 | 2007-03-12 | 학교법인 포항공과대학교 | 영구자석과 압전세라믹을 이용한 진동 발전기 및 이를 이용한 발전 방법 |
| JP2008211925A (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Taiheiyo Cement Corp | 圧電発電装置 |
| KR20100125090A (ko) * | 2009-05-20 | 2010-11-30 | 서울대학교산학협력단 | 에너지 하베스터 단위 모듈, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체 및 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체 |
| KR101064692B1 (ko) * | 2008-09-30 | 2011-09-14 | 한국기계연구원 | 풍력을 이용한 압전 발전기 |
-
2012
- 2012-02-27 KR KR1020120019738A patent/KR101286714B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100691796B1 (ko) * | 2005-10-10 | 2007-03-12 | 학교법인 포항공과대학교 | 영구자석과 압전세라믹을 이용한 진동 발전기 및 이를 이용한 발전 방법 |
| JP2008211925A (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Taiheiyo Cement Corp | 圧電発電装置 |
| KR101064692B1 (ko) * | 2008-09-30 | 2011-09-14 | 한국기계연구원 | 풍력을 이용한 압전 발전기 |
| KR20100125090A (ko) * | 2009-05-20 | 2010-11-30 | 서울대학교산학협력단 | 에너지 하베스터 단위 모듈, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체 및 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITTO20130652A1 (it) * | 2013-07-31 | 2015-02-01 | Milano Politecnico | Trasduttore piezoelettrico per un sistema di raccolta dell'energia e metodo per la raccolta di energia mediante un trasduttore piezoelettrico |
| US9941821B2 (en) | 2013-07-31 | 2018-04-10 | Stmicroelectronics S.R.L. | Piezoelectric transducer for an energy-harvesting system |
| US10897215B2 (en) | 2013-07-31 | 2021-01-19 | Stmicroelectronics S.R.L. | Piezoelectric transducer for an energy-harvesting system |
| WO2015157377A1 (en) * | 2014-04-08 | 2015-10-15 | Campbell Ira L | Piezoelectric energy harvesting systems and methods |
| KR101831629B1 (ko) * | 2016-07-18 | 2018-02-23 | 김윤기 | 도로용 압전 발전장치 |
| WO2018189545A1 (en) * | 2017-04-13 | 2018-10-18 | Cambridge Enterprise Limited | A vibration-based energy harvester comprising a proof mass surrounding a central anchor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Toprak et al. | Piezoelectric energy harvesting: State-of-the-art and challenges | |
| Todaro et al. | Piezoelectric MEMS vibrational energy harvesters: Advances and outlook | |
| US8723398B2 (en) | Piezoelectric energy harvesting apparatus | |
| Siddique et al. | A comprehensive review on vibration based micro power generators using electromagnetic and piezoelectric transducer mechanisms | |
| Saadon et al. | A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters | |
| US9294014B2 (en) | Power generator | |
| KR102125405B1 (ko) | 넓은 동작 주파수 범위를 갖는 자가 공진 조절 압전 에너지 하베스터 | |
| KR101286714B1 (ko) | 압전 에너지 수확 장치 | |
| CN104270032B (zh) | 双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置 | |
| Viola et al. | Piezoelectric model of rainfall energy harvester | |
| CN103296923B (zh) | 免磁铁双稳态压电换能器 | |
| CN108713260B (zh) | 具有复合垫片的压电俘能器系统 | |
| CN103762888B (zh) | 杠杆式超磁致伸缩振动能量收集装置 | |
| Wen et al. | Improving voltage output with PZT beam array for MEMS-based vibration energy harvester: theory and experiment | |
| Yang et al. | Micro and nano energy harvesting technologies | |
| WO2017009660A1 (en) | Vibration-based energy harvester with strain optimised topology | |
| KR20120117547A (ko) | 압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅 | |
| KR102349781B1 (ko) | 압전 전자기 하이브리드 에너지 하베스터 | |
| CN108712108A (zh) | 一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置 | |
| TWI590578B (zh) | Piezoelectric pumping device | |
| CN106877740A (zh) | 复合式俘能器 | |
| CN207460030U (zh) | 一种三维多方向宽频带能量采集器 | |
| Khalatkar et al. | Modeling and simulation of cantilever beam for optimal placement of piezoelectric actuators for maximum energy harvesting | |
| Pan et al. | Study of vibration-induced broadband flexible piezoelectric ZnO micro-harvester with storage system | |
| CN204794762U (zh) | 一种悬臂式压电材料能量采集器 |
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: 20160629 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170626 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180625 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190807 Year of fee payment: 7 |