KR101288608B1 - 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치 - Google Patents

압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량의 운행에 필요한 정보를 얻기 위하여 광범위하게 구성된 각 선로에 별도의 전원없이 철도차량의 운행에 따른 진동 또는 압력을 이용한 Enegy Havesting 방법에 의한 신재생에너지를 이용하여 별도의 설비가 필요 없고, 대기 오염이나 전력생산시 CO2 발생이 전혀 없는 Clean Energy를 이용하는 효과가 있으며, 전압을 측정하는 센서의 가격이 저렴하기 때문에 기존의 열차 운행 정보습득 장치에 비하여 가격경쟁력이 우수하고, 센서모듈의 응답속도가 빨라 실시간으로 철도차량의 위치 및 운행정보를 파악하는데 있어 용이하고, 센서모듈 간 통신이 가능하므로 터널과 같이 기존 센서가 동작하지 못하거나 기능이 저하되는 공간에서도 다기능 센서들간 무선 통신을 통해서 열차의 운행 정보를 중앙관제실에 전송할 수 있도록 진동 혹은 압력을 전기에너지로 바뀌어 주는 압전소자를 선로의 하부에 부착하여 상기 검지장치가 설치된 영역에 철도차량이 통과하는 동안 발생하는 진동이나 압력에 의하여 전력을 생산하고, 상기 생산된 전력을 보관하여 센서부와 통신부에 공급하고, 상기 압전소자에서의 전압의 변화를 검지하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치이다.

Description

압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치{Multi-Function Inspection Device Of Train and Railroad Using Power Generators Including A Piezoelectric}
본 발명은 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치에 관한 것으로,
보다 상세하게는 진동 혹은 압력을 전기에너지로 바뀌어 주는 압전소자를 선로의 하부에 부착하여 열차운행시에 발생하는 진동이나 압력에 의하여 전력을 생산하여 전력저장부에 보관한 후, 센서부와 통신부에 공급함으로써, 자체적으로 신재생에너지를 이용하며, 상기 센서부는 상기 압전소자에서 발생하는 전압의 변화를 검지하여 이를 상기 모니터링부에 전송하여 철도차량의 현재 운행위치와 속도 등의 철도차량의 운행과 관련된 정보를 감시할 수 있는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치에 관한 것이다.
철도는 국가의 대표적인 사람과 화물의 운송수단으로서, 철도운행은 대규모의 화물이나 많은 사람들이 탑승하고 있어 사고가 발생하는 경우에는 화물의 경우에도 그 피해액수는 대규모에 해당하지만, 특히 승객들의 운송의 경우에는 사고가 발생하는 경우에는 그 피해가 측정되기 어렵다.
따라서 보다 정확한 철도차량의 위치, 철도차량의 속도를 검지하고, 현재 운행중인 철도차량의 상태를 파악하는 것이 중요하다.
철도차량의 위치를 파악하는 방법은 철도차량에 탑재하는 GPS시스템을 이용하는 방식, 선로에 유선으로 연결된 위치 센서와 열차와 송수신 하는 송전탑사이의 송수신 시간을 이용한 위치추적 등이 있다.
상기 GPS시스템을 이용한 열차위치 추적장치(특허공개번호 제10-2003-001112호)는 GPS 위치 정보 센서를 이용함으로써, 터널구간과 같이 위성 통신이 불가한 지형에서는 열차의 위치 및 열차 운행 상태 정보를 파악하는데 있어서 많은 어려움이 있는 문제점이 있어 한국과 같이 산악지형이 많아 열차선로에 있어 터널이 많은 경우에는 터널구간 내에서는 위치정보 확인을 위한 별개의 추가 설비를 설치해야함으로 추가 비용 및 위치 정보의 정확도에 문제가 발생할 수 있다.
상기 선로에 유선으로 연결된 위치 센서와 열차와 송수신 하는 송전탑사이의 송수신 시간을 이용한 위치추적(특허공개번호 제10-2002-0060892호)는 전파 송신에 어려운 곳에서는 문제점이 발생하며, 또한 유선으로 포설된 위치센서의 경우 유선의 길이가 선로의 길이와 같을 만큼 길어야 하므로 설치비용 및 유지 보수에 어려움이 많은 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로,
진동 혹은 압력을 전기에너지로 바뀌어 주는 압전소자를 선로의 하부에 부착하여 상기 검지장치가 설치된 영역에 철도차량이 통과하는 동안 발생하는 진동이나 압력에 의하여 전력을 생산하고, 상기 생산된 전력을 보관하여 센서부와 통신부에 공급하고, 상기 압전소자에서의 전압의 변화를 검지하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치는,
선로, 노반 또는 침목에 부착되어 철도차량이 통과하는 동안 발생하는 진동 또는 압력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 전력발생부;
상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 철도차량의 운행에 의해 발생하는 진동 또는 압력에 의해 유도되는 전력발생부내의 전압을 검지하는 센서부;
상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 상기 센서부로부터 검지되어 수집된 정보를 송신하는 통신부; 및
상기 통신부로부터 수신된 전압정보를 이용하여 열차의 위치 및 운행정보를 표시하는 모니터링부;로 이루어진다.
본 발명은 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치를 제공함으로써, 철도차량의 운행에 필요한 정보를 얻기 위하여 광범위하게 구성된 각 선로에 별도의 전원 없이 철도차량의 운행에 따른 진동 또는 압력을 이용한 Enegy Havesting 방법에 의한 신재생에너지를 이용하여 별도의 설비가 필요 없고, 대기 오염이나 전력생산시 CO2 발생이 전혀 없는 Clean Energy를 이용하는 효과가 있으며, 전압을 측정하는 센서의 가격이 저렴하기 때문에 기존의 열차 운행 정보습득 장치에 비하여 가격경쟁력이 우수하고, 센서모듈의 응답속도가 빨라 실시간으로 철도차량의 위치 및 운행정보를 파악하는데 있어 용이하고, 센서 모듈 간 통신이 가능하므로 터널과 같이 기존 센서가 동작하지 못하거나 기능이 저하되는 공간에서도 통신부들간의 무선 통신을 통해서 열차의 운행 정보를 중앙관제실에 전송할 수 있고, 각종 정보를 무선으로 보내주기 때문에 센서 모듈을 단독적으로 설치가 가능하다. 센서 모듈의 단독 설치는 기존 센서의 부가적으로 필요한 전원 및 데이터 전송선의 공사 및 유지 보수가 필요 없어 설치 및 관리가 획기적으로 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치의 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 전력발생부, 센서부 및 통신부간의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 압전소자에서의 진동발생에 관한 형상도,
도 4는 본 발명에 따른 통신부의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 주파수에 따라 변화하는 전압커브.
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치의 일실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치는 선로, 노반 또는 침목에 부착되어 철도차량의 통과시에 발생하는 진동 또는 압력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 전력발생부(10)와 상기 전력발생부(10)로부터 전송되는 전력에 의해 철도차량의 운행에 의해 발생하는 진동 또는 압력에 의해 유도되는 전력발생부내의 전압을 검지하는 센서부(20)와 상기 전력발생부(10)로부터 전송되는 전력에 의해 상기 센서부로부터 검지되어 수집된 정보를 송신하는 통신부(30)와 상기 통신부(30)로부터 전송된 수집된 정보로부터 열차의 위치 및 운행정보를 수신하는 모니터링부(40)로 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 전력발생부, 센서부 및 통신부간의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 전력발생부(10)는 선로의 진동이나 압력에 의해 하는 압전소자(11)와 상기 압전소자(11)와 연결하여 상기 압전소자(11)로부터 발생된 전력을 저장하여 상기 센서부(20) 및 통신부(30)에 전원을 공급하는 전력저장소자(12)로 구성된다.
상기 압전소자(11)는 수정, 로셈염, 티탄산바륨 또는 인공세라믹과 같은 결정판에 일정한 방향으로 압력을 가했을 때 판의 양면에 외력에 비례하는 양 ?? 음의 전하가 발생하는 소자로서 철도차량이 운행되는 선로, 노반 또는 침목에 설치하여 철도차량이 상기 압전소자(11)가 설치된 선로에 가까워지면서 발생하는 진동 또는 압력에 의해 발생하는 상기 압전소자(11) 측면의 전위차(전압)를 통해 전기에너지를 생성한다.
일반적으로 상기 압전소자(11)는 공진현상에 의하여 특정 주파수에서 전기 에너지가 많이 생산한다.
도 3은 본 발명에 따른 압전소자에서의 진동발생에 관한 형상도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수학식1은 특정 물체(M)의 진동에 의하여 발생하는 상기 압전소자(11)에서의 공진주파수를 구하는 식으로서, 상기 수학식 1로부터 구간마다 공진주파수를 구하고 이로부터 진동수를 측정하여 그 주파수를 공진주파수로 하여 최대 전력을 얻을 수 있도록 한다.
[수학식 1]
Figure 112011070530393-pat00001
* M = 물체질량, Mb = 막대질량, L = 막대길이, I = 관성모멘트, E = 영률
상기 전력저장소자(12)는 충전기로서 상기 압전소자(11)의 측면에 전선을 연결하여 상기 압전소자(11)에서 발생하는 전력을 저장하여 상기 센서부(20)와 상기 통신부(30)에 전력을 공급하고, 남은 잉여전력을 보관한다.
상기 센서부(20)는 상기 전력저장소자(12)로부터 공급되는 전력에 의해 구동되며, 상기 압전소자(11)에서 발생하는 전위차를 검지하여 그 전압정보를 상기 통신부(30)에 전송한다.
도 4는 본 발명에 따른 통신부의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 통신부(30)는 상기 전력저장소자(12)로부터 전력을 공급받아 상기 센서부(20)로부터 전송된 전압정보를 실시간으로 상기 모니터링부(40)로 전송한다.
상기 통신부(30)는 유선으로 연결하는 경우 선로의 길이만큼 설치함으로써 생기는 설치비용 및 유지보수의 어려움을 극복하기 위하여 RF 통신, WiFi 통신, Zigbee 통신 등의 무선통신으로 상기 센서부(20)로부터 전송된 전압정보의 송수신이 가능하다.
따라서 각 검지장치에 포함된 통신부들간의 무선통신을 통하여 순차적으로 각 검지장치에서 검지된 전압정보를 중앙관제실의 상기 모니터링부(40)에 실시간으로 전송한다.
바람직하게는 전체 열차선로를 특정 구간별로 구분하여 각 구간별로 전압정보수집부(31)를 설치하여 상기 구간내에서의 각 검지장치는 상기 통신부(30)를 통해 검지된 전압정보를 무선으로 상기 전압정보수집부(31)까지 실시간으로 전송하고, 상기 전압정보수집부(31)는 상기 각 검지장치의 전압정보를 수집하여 보다 안정적이고 신속하게 대량으로 전송할 수 있는 유선통신을 이용하여 중앙관제실의 모니터링부(40)로 전송한다.
상기 모니터링부(40)는 상기 통신부(30)로부터 전송된 상기 압전소자(11)에서 발생하는 전압정보를 실시간으로 수신하여 전압의 변화가 미리 설정된 전압크기보다 큰 경우에는 현재 그 위치에서 철도차량이 운행 중인 것으로 판단되므로 미리 파악된 해당 검지장치 위치정보를 이용하여 현재 철도차량의 위치를 검지한다.
그리고 일반적으로 선로의 진동 또는 압력은 열차의 속도에 따라 달라진다. 예를 들어 만약 선로의 진동에 의한 공진주파수가 5 Hz인 경우, 압전소자는 5 mV의 전압을 발생하게 된다면 공진주파수가 4 Hz, 3 Hz 인 경우에서는 각각 4 mV와 3 mV와 같은 특정 전압이 발생하게 되는 것을 미리 인지할 수 있으므로 상기 모니터링부(40)는 상기 압전소자(11)에서 발생하는 출력전압을 상기 센서부(20)에서 측정하여 전송된 상기 압전소자(11)의 전압정보를 통해 상기 모니터링부(40)는 현재 운행 중인 철도차량의 속도를 추정할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 주파수에 따라 변화하는 전압커브이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 철도차량이 상기 검지장치가 설치된 영역을 통과하면서 발생하는 진동으로부터 상기 압전소자(11)의 전압의 변화가 발생하는데 철도차량의 속도는 한 구간에서 일정한 속도로 진행하게 되어 있으므로 철도차량이 상기 검지장치가 설치된 영역을 통과하는 동안 상기 압전소자(11)에서 발생하는 전압은 일정해야 한다.
따라서 상기 모니터링부(40)는 상기 센서부(30)가 상기 압전소자(11)에서 발생하는 전압을 검지하여 전송된 전압정보로부터 철도차량의 속도에 따른 전압의 범위폭의 벗어나는 경우에는 철도차량의 운행상의 고장이 발생한 것으로 감지하여 경고신호 등을 통해 관리자에게 통보한다.
본 명세서에는 본 발명에 따른 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특허청구범위 및 첨부도면의 범위 내에서 다양하게 변형되어 실시될 수 있으며, 이것 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
10 전력발생부 11 압전소자
12 전력저장소자 20 센서부
30 통신부 31 전압정보수집부
40 모니터링부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 철도차량의 검지장치에 있어서,
    선로, 노반 또는 침목에 부착되어 철도차량이 통과하는 동안 발생하는 진동 또는 압력을 이용하여 전기에너지를 생산하되, 열차의 운행에 따른 선로의 진동 또는 압력에 따라 변형되는 압전소자와 상기 압전소자의 측면에 연결되어 상기 압전소자의 변형에 의해 발생된 전력을 저장하며 그 저장된 전력을 센서부 및 통신부에 공급하는 전력저장소자로 이루어지는 전력발생부;
    상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 철도차량의 운행에 의해 발생하는 진동 또는 압력에 의해 유도되는 전력발생부내의 전압을 검지하는 센서부;
    상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 상기 센서부로부터 검지되어 수집된 정보를 송신하는 통신부; 및
    상기 통신부로부터 수신된 전압정보를 이용하여 열차의 위치 및 운행정보를 표시하는 모니터링부; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통신부는 상기 센서부로부터 전송된 철도차량의 위치 및 열차운행정보를 무선으로 전압정보수집부까지 전송하고, 상기 전압정보수집부에서 모니터링부까지는 유선으로 전송하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치.
  4. 삭제
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 통신부로부터 전송된 센서부의 전압을 표시하고, 상기 전압의 변화를 이용하여 열차의 위치를 검지하여 표시하며, 상기 전압의 변화율를 통해 철도차량의 속도를 추정하여 표시하며, 상기 전압과 통상적인 전압과의 차이에 의해 열차운행상의 고장여부를 검지하여 표시하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치.
  6. 선로, 노반 또는 침목에 부착되어 철도차량이 통과하는 동안 발생하는 진동 또는 압력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 전력발생부; 상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 철도차량의 운행에 의해 발생하는 진동 또는 압력에 의해 유도되는 전력발생부내의 전압을 검지하는 센서부; 상기 전력발생부로부터 전송되는 전력에 의해 구동되어 상기 센서부로부터 검지되어 수집된 정보를 송신하는 통신부; 및 상기 통신부로부터 수신된 전압정보를 이용하여 열차의 위치 및 운행정보를 표시하는 모니터링부; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 통신부로부터 전송된 센서부의 전압을 표시하고, 상기 전압의 변화를 이용하여 열차의 위치를 검지하여 표시하며, 상기 전압의 변화율를 통해 철도차량의 속도를 추정하여 표시하며, 상기 전압과 통상적인 전압과의 차이에 의해 열차운행상의 고장여부를 검지하여 표시하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 통신부는 상기 센서부로부터 전송된 철도차량의 위치 및 열차운행정보를 무선으로 전압정보수집부까지 전송하고, 상기 전압정보수집부에서 모니터링부까지는 유선으로 전송하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 포함한 전력발생기를 이용한 철도차량의 다기능 검지장치.
  8. 삭제
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