KR101501023B1 - 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버려지고 있는 에너지를 효과적으로 수확하도록 하여 저전력 이용 장치의 전원으로 사용될 수 있도록 하며, 주기적 진동 발생 수단과 결합하여 효율적 발전이 가능하도록 한 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 직접적인 충격 전달에 의해 파손 위험이 큰 고가의 압전소자를 적용한 진동 에너지 회수 방식 대신 외력에 의한 강제진동 방식으로 탄성 진동하는 견고한 판스프링을 활용하여 해당 판스프링의 진동으로부터 에너지를 회수함으로써, 비교적 저렴한 비용으로 다양한 크기와 용도에 맞으며 수명이 긴 진동 에너지 하베스팅 장치를 구성할 수 있도록 하며, 상기 판스프링의 고유진동수와 외부 에너지가 일치하도록 외부 진동에 따라 판스프링의 특성을 조절할 수 있도록 하여 공명(Resonance)을 유도함으로써 진동폭을 극대화하여 효율을 높일 수 있도록 함으로써, 구성 비용과 설치 비용 및 관리 비용을 낮추고 범용성을 높여 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템{ELECTRICITY GENERATING SYSTEM USING OSCILLATION ENERGY HARVESTING APPARATUS}
본 발명은 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 버려지고 있는 에너지를 효과적으로 수확하도록 하여 저전력 이용 장치의 전원으로 사용될 수 있도록 하며, 주기적 진동 발생 수단과 결합하여 효율적 발전이 가능하도록 한 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지 하베스팅에 관한 관심이 높아지고 있는데, 에너지 하베스팅은 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvest)하여 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하고 이용하는 것으로, 주로 진동이나 사람의 움직임, 빛, 열, 전자기파와 같이 의도하지 않거나 버려지는 에너지원으로부터 효과적으로 전기를 얻기 위한 여러 기술들을 의미한다.
이러한 에너지 하베스팅 기술 중에서 관심이 높아지고 있는 분야는 진동 에너지를 회수하기 위한 기술로, 주로 대형 회전기나 구조물의 진동, 다양한 충격 에너지를 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환하는 기술이다. 예를 들어 사람의 보행 시 지면 충돌 에너지나 도로면의 차량 주행에 따른 지면 충돌 에너지를 압전소자를 통해서 전기에너지로 변환하는 방식이 연구되고 있고, 보행이 빈번한 구역이나 고속도로 혹은 철도 구간에 충격 에너지를 수집하기 위한 구조물을 매설하는 실험도 이루어지고 있다.
그러나 기존의 진동 에너지 하베스트 기술은 대부분 압전소자를 이용하여 발생되는 전기를 충전하는 방식이어서 고가의 압전소자가 필수적으로 요구된다. 특히, 이러한 압전소자에는 직접적으로 충격이 전달되어야 하기 때문에 용도에 따른 내충격 특성을 가져야 하므로 비용이 높으며 허용량 이상의 충격이 가해질 경우 수명이 줄어들거나 파손되므로 관리 비용이 높은 문제가 있다.
특히, 실효적으로 발생되는 전력에 비해 초기 설치 비용이 과다하게 높고 관리 비용이 높아 실험적으로 사용되고 있지만 상용화하기에는 부족한 실정이다.
따라서, 진동 에너지를 효과적으로 회수할 수 있으면서 그 설치 비용이나 관리 비용이 낮은 진동 에너지 하베스팅 장치에 대한 요구가 높으며, 이러한 진동 에너지 하베스팅 장치를 활용하여 소규모 전력을 효과적으로 확보할 수 있는 발전 시스템에 관한 관심도 높은 실정이다.
[문헌1] 한국 공개특허공보 10-2010-090432 [압전자성복합체를 이용한 무선 자가발전 충전장치]
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시예들의 목적은 직접적인 충격 전달에 의해 파손 위험이 큰 고가의 압전소자를 적용한 진동 에너지 회수 방식 대신 외력에 의한 강제진동 방식으로 탄성 진동하는 견고한 판스프링이나 코일 스프링 등의 탄성체를 활용하여 해당 탄성체의 진동으로부터 에너지를 회수함으로써, 비교적 저렴한 비용으로 다양한 크기와 용도에 맞으며 수명이 긴 진동 에너지 하베스팅 장치를 구성할 수 있도록 하며, 상기 탄성체의 고유진동수와 외력의 주기가 일치하도록 탄성체의 특성을 조절할 수 있도록 하여 공명(Resonance)을 유도함으로써 진동폭을 극대화하여 효율을 높일 수 있도록 한 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 다른 목적은 복수의 탄성체를 배치한 베이스 플레이트를 외력에 의해 진동하도록 하고, 해당 진동을 유지하기 위한 베이스 플레이트 탄성 유지부와 상기 탄성체의 공진 주파수를 일치시켜 에너지 회수 효율을 높이도록 한 진동 에너지 하베스팅 장치를 구성하고, 상기 탄성체나 상기 탄성 유지부의 공진 주파수에 대응하는 주기적 충격을 제공하기 위해 외부의 물리력에 의해 감겨지는 태엽과 상기 태엽에 의해 주기적 충격을 제공하는 탈진기를 포함하는 강제진동 발생기를 더 구성한 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 복수의 상이한 고유진동수를 가지는 복수의 탄성체를 구성하여 다양한 진동에 대한 발전 효율을 높인 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명 실시예들의 또 다른 목적은 주기적 진동이 발생되는 진동원의 버려지는 진동 에너지를 간접적으로 이용하여 탄성체를 탄성 진동시켜 에너지를 회수하고, 해당 회수된 에너지를 상기 진동원의 상태를 확인하기 위한 모니터링 장치의 전원으로 제공함으로써, 독립적이면서 안정적인 모니터링 환경 구축이 가능하도록 한 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템은, 외부 에너지 발생원의 에너지를 물리적으로 축적한 후 상기 축적된 물리적 에너지를 통해 기 설정된 공진 주파수에 맞추어 운동 에너지를 발생시키는 강제진동 발생부와; 상기 강제진동 발생부가 공진 주파수에 맞추어 제공하는 운동 에너지에 의해 적어도 하나의 축에 대한 왕복 운동이 이루어지는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상에 일측이 고정되게 배치되어 상기 베이스 플레이트의 움직임에 따라 유동부분 길이를 반경으로 하는 반원 범위에서 고유 진동수로 진동하는 것으로 공명에 따른 최대 진폭을 유지하며 타측에 자성 추가 배치된 하나 이상의 판스프링과, 상기 판스프링의 진동에 따른 상기 자성 추의 왕복 궤적에 대응하되 해당 궤적에서 벗어나게 배치된 코일을 구비하여 상기 자성 추의 움직임을 방해하지 않으면서 그 움직임에 따라 전력을 발생시키는 전력 변환부를 포함하는 진동 에너지 하베스팅부를 포함하되, 상기 강제진동 발생부는 상기 에너지 발생원의 에너지를 회전력으로 변환하는 에너지 변환부와; 상기 에너지 변환부를 통한 회전력에 의해 물리적 에너지를 축적하는 태엽부와; 상기 태엽부에 축적된 에너지를 기 설정된 공진 주파수에 맞추어 운동 에너지로 변환 출력하는 탈진부와; 상기 태엽부와 탈진부 사이에 구성되어 탈진부의 공진 주기와 힘을 설정하는 기어부를 포함한다.
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상기 에너지 변환부는 풍력, 수력, 온도차, 진동, 충격, 인력 중 적어도 하나의 에너지를 회전 운동으로 변환할 수 있다.
한편, 상기 에너지 변환부는 과도한 충격이나 상기 태엽부의 상태에 따라 외부 에너지 변환을 중단하는 차단부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 에너지 하베스팅부는 상기 베이스 플레이트의 움직임을 가이드하는 본체부를 포함하며, 상기 베이스 플레이트와 상기 본체부 사이에 구성되어 상기 베이스 플레이트의 왕복 운동을 유도하는 베이스 플레이트 탄성 유지부를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 하베스팅부는 상기 판스프링과 자성 추에 따른 고유 진동수는 판스프링의 물리적 배치 상태, 자성 추의 무게나 위치 중 적어도 하나의 조절에 의해 가변될 수 있으며, 이러한 조절 방식 중 하나를 이용하는 고유 진동수 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트에 배치되는 판스프링은 복수로 구성되고 상기 판스프링들은 2개 이상의 상이한 고유 진동수로 구분될 수 있다.
상기 에너지 하베스팅부는 상기 전력 변환부의 전력을 수집 및 충전하여 외부 장치를 위한 전원을 제공하는 발전부를 더 포함할 수 있다.
본 발명 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템은 직접적인 충격 전달에 의해 파손 위험이 큰 고가의 압전소자를 적용한 진동 에너지 회수 방식 대신 외력에 의한 강제진동 방식으로 탄성 진동하는 견고한 판스프링이나 코일 스프링 등의 탄성체를 활용하여 해당 탄성체의 진동으로부터 에너지를 회수함으로써, 비교적 저렴한 비용으로 다양한 크기와 용도에 맞으며 수명이 긴 진동 에너지 하베스팅 장치를 구성할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 탄성체의 고유진동수와 외력의 주기가 일치하도록 상기 탄성체의 특성을 조절할 수 있도록 하여 공명(Resonance)을 유도함으로써 진동폭을 극대화하여 효율을 높일 수 있도록 함으로써, 구성 비용과 설치 비용 및 관리 비용을 낮추고 범용성을 높여 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템은 복수의 탄성체를 배치한 베이스 플레이트를 외력에 의해 진동하도록 하고, 해당 진동을 유지하기 위한 베이스 플레이트 탄성 유지부와 상기 탄성체의 공진 주파수를 일치시켜 에너지 회수 효율을 높이도록 한 진동 에너지 하베스팅 장치를 구성하고, 상기 탄성체나 상기 탄성 유지부의 공진 주파수에 대응하는 주기적 충격을 제공하기 위해 외부의 물리력에 의해 감겨지는 태엽과 상기 태엽에 의해 주기적 충격을 제공하는 탈진기를 포함하는 강제진동 발생기를 더 구성함으로써 범용적인 진동 에너지 하베스팅 장치를 발전을 위한 용도로 활용할 수 있음과 아울러 불특정한 외부 에너지를 물리적 구성을 통해 지속적 발전이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템은 복수의 상이한 고유진동수를 가지는 복수의 탄성체를 구성하여 다양한 진동에 대한 에너지 수확이 가능하도록 하여 범용성을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템은 주기적 진동이 발생되는 진동원의 버려지는 진동 에너지를 간접적으로 이용하여 탄성체를 탄성 진동시켜 에너지를 회수하고, 해당 회수된 에너지를 상기 진동원의 상태를 확인하기 위한 모니터링 장치의 전원으로 제공함으로써, 독립적이면서 안정적인 모니터링 환경 구축이 가능한 효과가 있다.
도 1은 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치에 적용되는 베이스 플레이트와 탄성진동하는 판스프링의 배치를 보인 예.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치를 이용한 발전 시스템의 구성도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치의 베이스 플레이트 왕복 운동의 예.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치의 판스프링 고유진동수 조절 방식들을 보인 예시도.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 개념도로서, 도시한 바와 같이 진동/주기적 변위 발생원(10)이 제공하는 물리적 진동이나 주기적 변위를 에너지 회수부(20)가 전력으로 변환하도록 구성된다.
여기서, 상기 에너지 회수부(20)는 대부분 압전소자를 이용하는데, 이러한 압전소자는 반도체 공정을 통해 제조되는 경우가 일반적이며, 발전용보다는 외부 변위 정도를 판단하거나 외부 변위의 유무를 확인하기 위한 센서로 활용되고 있다.
최근 진동 에너지로부터 전력을 생산하기 위한 용도의 압전소자가 등장하고 있으나 이러한 용도로 주로 사용되는 산화아연 기반 압전소자의 경우 에너지 변환 효율은 0.5%에 불과하여 실효성이 낮은 상황이다. 최근 이러한 압전소자에 특수한 고분자 물질을 적용하여 에너지 변환효율을 높이고자 하는 연구가 있으나 이러한 경우 역시 출력에 한계가 있고 대량생산이 용이하지 않은 문제가 있다.
특히, 압전소자의 경우 특정한 결정판에 가해지는 응력에 따라 전하가 발생하는 원리를 이용한 것이므로 해당 결정판이 물리적 충격에 의해 유동해야 하는 구조적 특징이 있으며, 낮은 변환 효율에 의해 외부 물리적 충격이 곧바로 전달되는 형태로 이용되므로 외부 충격이 과도할 경우 쉽게 파손되는 문제가 있다. 따라서, 충분한 내충격성을 가지는 압전소자를 이용할 경우 작은 충격에 대한 에너지 변환 효율이 낮고 구성 비용이 과도하게 커지게 되므로 경제성이 크게 낮아 실효적으로 이용하는 경우는 드문 형편이다.
또한, 반도체 공정을 통해 생산된 소자를 반복되는 물리적 충격에 지속적으로 노출해야 하기 때문에 수명이 길지 않아 잦은 교체가 필요하므로 관리 비용이 높아 생산 전력량에 비해 비용이 과도한 상황이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 구성도를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 외력에 따라 적어도 하나의 축에 대한 왕복 운동이 이루어지는 베이스 플레이트(110)와, 상기 베이스 플레이트(110) 상에 일측이 고정되게 배치되어 상기 베이스 플레이트(110)의 움직임에 따라 진동하는 하나 이상의 판스프링(130)과, 상기 판스프링(130)의 타측에 고정되어 판스프링 진동에 따라 기 설정된 궤적을 왕복하는 자성 추(Magnetic weight)(131)와, 상기 자성 추(131)의 왕복 궤적에 대응되어 형성되며 상기 자성 추의 움직임에 따라 전력을 발생시키는 전력 변환부(140)와, 상기 베이스 플레이트(110)의 움직임을 가이드하는 본체부(101)와, 상기 전력 변환부(140)의 전력을 수집 및 충전하여 외부 장치를 위한 전원을 제공하는 발전부(150)를 포함한다.
상기 베이스 플레이트(110)는 도시된 경우 수평 방향으로 왕복운동을 하게 되는데, 이러한 운동에 따른 마찰력을 줄이기 위한 롤러(111)가 구성될 수 있고, 상기 외력이 충격으로만 전달되도록 할 경우 상기 베이스 플레이트(110) 자체가 탄성 왕복운동이 가능하도록 하기 위한 베이스 플레이트 탄성 유지부(120)를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 변환부(140)는 상기 자성 추(131)의 움직임에 따른 전자기 유도 방식으로 전력을 생산할 수 있도록 상기 자성 추(131)의 궤적에 따라 배치된 코일(141)을 구비할 수 있고, 상기 발전부(150)는 상기 코일(141)로부터 전력을 수집하여 축적하거나 정류 및 정전력으로 레귤레이팅하여 안정적인 전원을 출력할 수 있다.
예를 들어, 주기적 진동이 발생되는 진동원의 버려지는 진동 에너지를 통해 판스프링을 탄성 진동시켜 에너지를 회수하고, 해당 회수된 에너지를 상기 진동원의 상태를 확인하기 위한 모니터링 장치의 전원으로 제공함으로써, 독립적이면서 안정적인 모니터링 환경 구축이 가능할 수 있다.
한편, 상기 전력 변환부(140)는 도시된 바와 같이 상기 본체부(101)에 배치될 수 있는데, 베이스 플레이트(110)의 움직임을 고려할 경우 자성 추(131)와의 거리가 가변될 수 있으므로 상기 베이스 플레이트(110)에 구성되어 이러한 자성 추(131)와의 거리를 일정하게 유지할 수도 있다.
상기 발전부(150)의 발전량은 상기 전력 변환부(140)의 코일 수와 자성 추(131)의 크기, 판스프링(130)의 진동 정도에 따라 결정될 수 있는데, 필요에 따라 판스프링(130), 자성 추(131) 및 전력 변환부(140)의 크기와 수를 적절하게 조절할 수 있다.
상기 구성에서, 상기 판스프링(130)이나 자성 추(131) 및 전력 변환부(140)는 대단히 일반적이고 범용적인 소재로 구현할 수 있으므로 저렴한 비용으로 구성이 가능하며 교체 역시 용이할 뿐만 아니라 표준으로 사용되는 소재를 이용할 경우 제조사에 관계없이 범용적 구성이 가능하다.
상기 판스프링(130)은 상기 베이스 플레이트(110)의 왕복 운동에 따라 탄성 진동하게 되는데, 상기 베이스 플레이트(110)의 왕복 운동 크기가 작다 하더라도 탄성에 의해 진동하는 진동량이 축적되면서 자체 고유 진동수에 따라 진동하게 되므로 상기 베이스 플레이트(110)가 제공해야 하는 에너지 자체는 지속적으로 클 필요가 없고, 상기 고유 진동수의 배수로 충격을 전달해 주면 되므로 예를 들어 상기 판스프링(130)의 고유 진동수가 10Hz 정도인 경우라도 베이스 플레이트(110)는 1~수초에 한번 정도 충격에 따른 왕복 운동이 발생하면 되어 물리적으로 고속일 필요가 없다.
기계진동학에서, 진동이란 물체의 위치와 같은 물리량이 어떠한 값을 중심으로 주기적으로 변화하는 것을 의미하는데, 이러한 진동은 물리적 충격에 의해 야기되며 충격이 멎은 후에도 진동을 계속할 수 있고 이렇게 외부에서 어떠한 작용 없이 진동하는 것을 자유진동이라 한다. 한편, 외부에서 주기적으로 작용하는 힘을 받아 진동하는 것을 강제진동이라 하는데, 이렇게 외부에서의 외력에 의한 강제진동은 진동의 주기와 진폭이 외부에서 가해지는 작용에 의존하게 되는데, 자유진동에서는 각각의 진동계에 고유한 진동수(주기)가 있으며, 이러한 주기에 맞추어 강제진동을 일으키면 진동계의 진폭이 매우 커지며 이때 나타나는 현상을 공명이라 한다.
한편, 진동계가 가지는 고유 진동수와 주기는 진동의 초기 조건과 진폭에 무관하기 때문에 충격이 있는 경우 해당 진동계는 고유 진동수로 진동하게 되며, 외력이 지속적으로 가해질 경우 강제진동을 일으키게 된다.
결국, 도시된 베이스 플레이트(110)에 외력에 의한 진동이 가해질 경우 상기 베이스 플레이트(110) 상의 판스프링(130)은 고유 진동수로 자유 진동하게 되는데 가해지는 에너지가 충분하지 못할 경우 진폭이 작을 뿐 진동수는 유지된다. 이때, 상기 베이스 플레이트(110)가 외력을 상기 판스프링(130)에 반복적으로 가할 경우 상기 판스프링의 진폭은 점차 커지게 되며 외력에 의한 강제진동 방식으로 동작하게 된다.
상기 외력에 의한 상기 베이스 플레이트(110)의 왕복 주기가 상기 판스프링(130)의 고유 진동수에 일치할 경우 공진이 발생하여 상기 판스프링(130)의 진폭은 최대가 되며 상기 전력 변환부(140)의 변환 효율은 최대가 된다. 이러한 공진은 자연계의 고유한 특징에 해당하며 이는 외력의 크기와 무관한 공진 주기의 일치를 통해 얻어지는 것이므로 외력을 높이지 않더라도 전력 변환 효율 최적화가 가능하게 된다.
결국, 상기 베이스 플레이트(110)가 외력에 의해 왕복하는 왕복 주기를 결정하는 베이스 플레이트 탄성 유지부(120)의 고유 진동수가 상기 판스프링(130)의 고유진동수에 대응할 경우 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 효율을 극대화할 수 있다. 이 경우 외력의 제공 크기가 불규칙한 경우라 하더라도 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 에너지 회수가 가능하다.
한편, 상기 베이스 플레이트(110)는 상기 베이스 플레이트 탄성 유지부(120) 없이 외력 제공 수단과 직결될 수도 있는데, 이 경우 외력의 제공 주기가 직접 상기 판스프링(130)의 진동에 영향을 미치는 강제진동 상태가 된다. 만일 외력의 진동 주기가 고정되어 있고, 상기 외력 주기가 상기 판스프링(130)의 고유 진동수와 일치할 경우 공진에 의해 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 효율을 극대화 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치에 적용되는 베이스 플레이트(210)와 탄성 진동하는 판스프링부(220)의 배치를 보인 예로서, 상기 판스프링부(220)는 판스프링(222)과 상기 판스프링의 일측을 상기 베이스 플레이트(210)에 고정하는 고정부(221) 및 상기 판스프링의 타측에 구성되는 자성 추(223)를 포함한다.
도시된 경우 상기 베이스 플레이트(210)는 가이드부(211)와 체결되어 상기 가이드부(211)에 의해 왕복 운동에 대한 방향이 고정되며 왕복 운동에 따른 마찰력은 상기 가이드부(211)에 구성되는 베어링(미도시)이나 윤활제(미도시)에 의해 최소화될 수 있다.
한편, 외력이 주기적으로 제공되지만 가변될 수 있거나 상기 판스프링부(220)의 고유 진동수와 상이할 경우, 혹은 외력이 비주기적으로 제공될 경우 상기 판스프링부(220)는 복수로 구성되고 상기 판스프링들은 2개 이상의 상이한 고유 진동수로 구분될 수 있다. 즉, 일부 판스프링부는 제 1 고유 진동수를 가지며, 일부 판스프링부는 제 2 고유 진동수를 가지는 식으로 배치할 경우 외력의 주기에 대응되는 일부 판스프링부에서는 높은 진폭을 제공할 수 있게 되므로 지속적인 에너지 회수가 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(100)를 이용한 발전 시스템의 구성도로서, 도 2에 도시된 진동 에너지 하베스팅 장치(100)에 외력을 제공하기 위하여 외부 에너지 발생원의 에너지를 물리적으로 축적한 후 상기 축적된 물리적 에너지를 통해 주기적 운동 에너지를 발생시키는 강제진동 발생부(300)를 더 구성함으로써 효율적인 발전 시스템을 구축한 것이다.
상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)는 앞서 설명한 바와 같이 외력에 의해 베이스 플레이트(110)가 왕복 진동함으로써 판스프링(130)이 탄성 진동하여 전력 변환부(140)에서 전력을 생산하게 된다.
이러한 베이스 플레이트(110)에 외력을 상기 판스프링(130)의 고유 주파수에 맞추어 제공할 경우 공진에 의해 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이러한 의미에서 도시된 발전 시스템은 정밀한 외력을 주기적으로 제공하기 위한 강제진동 발생부(300)를 더 구성한 것인데, 상기 강제진동 발생부(300)는 상기 에너지 발생원의 에너지를 회전력으로 변환하는 에너지 변환부(301)와, 상기 에너지 변환부(301)에서 회전력으로 변환된 에너지를 주기적인 운동 에너지를 발생시키는 진동 생성부(302)로 이루어진다.
상기 진동 생성부(302)는 상기 에너지 변환부(301)를 통한 회전력에 의해 물리적 에너지를 축적하는 태엽부(310)와, 상기 태엽부(310)에 축적된 에너지를 주기적 운동 에너지로 출력하는 탈진부(330)와, 상기 태엽부(310)와 탈진부(330) 사이에 구성되어 탈진부(330)의 공진 주기와 힘을 설정하는 기어부(320)를 포함한다.
실질적으로 상기 진동 생성부(302)는 기계식 시계나 메트로놈의 일부 구성을 활용할 수 있는데, 태엽과 같은 물리적인 에너지 축적 수단을 이용하여 고유한 진동수를 가지는 외부 운동을 제공하는 다양한 종래의 태엽, 기어 및 탈진기(Escapement) 구성을 활용할 수 있다. 특히, 탈진기는 정확한 시간에 맞추어 지침을 회전시키는 장치로서 태엽의 에너지를 이용하여 탈진바퀴와 앵커를 통해 지속적인 진동을 하는 장치이며, 이를 활용하여 정확한 시간의 흐름을 만들거나 해당 진동을 활용하여 다양한 기계적 움직임을 만들어내기도 한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 진동 생성부(302)는 이러한 기계식 시계나 메트로놈의 탈진부 진동을 외력으로서 발생시켜 해당 진동에 따른 주기적 운동 에너지를 외력 전달 수단(331)을 통해 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 베이스 플레이트(110)에 제공하게 된다.
상기 전달되는 주기적 진동은 기계식이지만 정밀하게 제어될 수 있으므로 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)의 판스프링 고유 주파수에 대응 시킬 수 있다.
한편, 이렇게 진동 생성부(302)를 이용할 경우 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)는 항상 최대 효율로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 진동 생성부(302)의 태엽부(310)를 감는 회전력을 제공하는 에너지 변환부(301)는 해당 에너지 변환부(301)가 제공하는 회전력이 직접적으로 상기 진동 생성부(302)의 운동 에너지 출력 주기에 영향을 미치는 것이 아니라 태엽부(310)를 감는 간접적 방식으로 에너지를 제공하게 되므로 상기 에너지 변환부(301)를 통해 변환되는 에너지는 주기, 크기 등에 무관한 다양한 에너지를 수집하여 활용할 수 있게 된다.
도시된 예에서 상기 에너지 변환부(301)는 풍력을 회전력으로 제공하는 프로펠러(340)이다. 따라서, 불규칙한 풍력을 이용하여 태엽부(310)의 태엽을 감기 위한 에너지를 회전력으로 제공하면 이는 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)가 최대 효율로 동작할 수 있는 주기적 외력으로서 상기 진동 에너지 하베스팅 장치(100)에 제공된다.
상기 에너지 변환부(301)는 상기 도시된 풍력뿐만 아니라 물레방아 등을 이용하는 수력, 스털링 엔진(stirling engine)을 이용하는 온도차 에너지, 수직 충격을 회전력으로 변환시키는 크랭크축을 이용한 진동이나 충격 에너지, 직접적으로 태엽을 감는 인력 중 적어도 하나의 에너지를 이용하여 불규칙하거나 상기 진동 에너지 하베스팅 장치의 사용 고유 진동수와 다른 에너지를 상기 진동 에너지 하베스팅 장치가 최대 효율로 동작하기 위한 에너지로 이용할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았지만 상기 에너지 변환부(310)는 과도한 충격이나 상기 연결되는 태엽부가 완전히 감겨진 상태가 되면 외부 에너지 변환을 물리적으로 중단하는 차단부를 더 구성할 수 있다. 예를 들어 태엽부가 완전히 감겨진 상태(풀 와인딩)가 되면 더 이상 태엽이 감기지 않도록 하는 오버와인딩 방지 장치가 구성될 수 있고, 과도한 충격이 발생할 경우 상기 에너지 변환부의 변환 수단과 회전축을 분리하도록 하는 구성을 적용할 수 있다.
따라서, 과도한 충격이 직접 에너지 발생 장치에 전달되는 상황을 방지함으로써 신뢰성과 안전성을 얻을 수 있다.
도 5는 강제진동 발생부의 탈진기가 제공하는 운동 에너지에 의해 베이스 플레이트가 움직이는 방식을 달리한 예로서, 앞서 설명에서는 베이스 플레이트가 좌우로 왕복 운동하는 구성을 개시하였으나, 도시된 경우와 같이 베이스 플레이트(410)를 본체부(400)에 상하 움직임이 가능하도록 고정(430)하고, 상기 베이스 플레이트(410)의 하부에 베이스 플레이트(410)의 상하 왕복 운동을 유도하는 베이스 플레이트 탄성 유지부(420)를 구성한 후 탈진부(330)의 외력 전달 수단(331)이 상기 베이스 플레이트(410)을 상하 운동하도록 힘을 가하는 방식을 보인 것이다. 상기 판스프링(440)은 이러한 베이스 플레이트(410)의 상하 운동(엄밀하게는 원호 운동)에 의해서도 탄성 진동할 수 있으며, 중력을 이용하기 때문에 탈진부(330)의 힘이 약하더라도 판스프링(440)의 탄성 진동을 유지할 수 있다.
도 6은 판스프링(510)의 고유 진동수를 조절하기 위한 구성을 보인 예로서, 도시한 바와 같이 판스프링(510)의 고유 진동수는 공진에 의한 효율 개선을 위해 가급적 외력에 맞추어 설정되는 것이 바람직한데, 이를 위한 판스프링(510)의 고유 진동수를 조절하는 다양한 구성을 보인 예이다. 물론, 도시된 방식 외에도 판스프링의 폭을 조절하거나 판스프링을 교체하는 등의 방식도 있을 수 있다.
도시된 도 6a는 판스프링(510)과 베이스 스테이션(530)을 고정하는 고정부(520)를 보인 것으로, 상기 고정부(520)는 판스프링(510)의 고정 위치를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 통해서 판스프링(510)이 더 길게 고정되면 고유 진동 주기가 길어지게 되며 더 짧게 고정되면 고유 진동 주기가 짧아지게 된다.
도 6b는 판스프링(510)의 타측에 배치되는 자성 추(540)의 위치를 가변하는 방식으로, 자성 추(540)가 상단부에 구성될수록 고유 진동 주기가 길어지고 하단부에 구성될수록 고유 진동 주기가 짧아진다. 물론, 자성 추(540)의 무게를 바꿀 수도 있다(예를 들어 자석 편 추가).
또 다른 예로서, 도 6c는 판스프링(510)이 통과하는 슬릿을 가지는 고정판(550)을 통해서 복수의 판스프링 하단부를 고정한 것으로, 상기 고정판(550)을 상하로 움직임일 수 있는데, 상부로 움직일수록 고유 진동 주기가 짧아진다. 이러한 구성을 이용할 경우 복수의 판스프링의 고유 진동수를 한번에 설정할 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에서는 고유 진동수를 가지면서 탄성 진동하면서 자성 추를 움직여 자계변환을 유도하는 탄성체로 판스프링을 예로 들었으나, 이러한 탄성체는 코일 스프링과 같은 다른 종류의 구조나 형상을 가질 수 있으므로 앞서 설명한 판스프링 대신 다른 종류의 탄성체가 사용될 수도 있음은 자명하다.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
100: 진동 에너지 하베스팅 장치 101: 본체부
110: 베이스 플레이트 111: 롤러
120: 베이스 플레이트 탄성 유지부 130: 판스프링
131: 자성 추 140: 전력 변환부
141: 코일 150: 발전부
300: 강제진동 발생부 301: 에너지 변환부
302: 진동 생성부 310: 태엽부
320: 기어부 330: 탈진부

Claims (14)

  1. 외부 에너지 발생원의 에너지를 물리적으로 축적한 후 상기 축적된 물리적 에너지를 통해 기 설정된 공진 주파수에 맞추어 운동 에너지를 발생시키는 강제진동 발생부와;
    상기 강제진동 발생부가 공진 주파수에 맞추어 제공하는 운동 에너지에 의해 적어도 하나의 축에 대한 왕복 운동이 이루어지는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 상에 일측이 고정되게 배치되어 상기 베이스 플레이트의 움직임에 따라 유동부분 길이를 반경으로 하는 반원 범위에서 고유 진동수로 진동하는 것으로 공명에 따른 최대 진폭을 유지하며 타측에 자성 추가 배치된 하나 이상의 판스프링과, 상기 판스프링의 진동에 따른 상기 자성 추의 왕복 궤적에 대응하되 해당 궤적에서 벗어나게 배치된 코일을 구비하여 상기 자성 추의 움직임을 방해하지 않으면서 그 움직임에 따라 전력을 발생시키는 전력 변환부를 포함하는 진동 에너지 하베스팅부를 포함하되,
    상기 강제진동 발생부는
    상기 에너지 발생원의 에너지를 회전력으로 변환하는 에너지 변환부와;
    상기 에너지 변환부를 통한 회전력에 의해 물리적 에너지를 축적하는 태엽부와;
    상기 태엽부에 축적된 에너지를 기 설정된 공진 주파수에 맞추어 운동 에너지로 변환 출력하는 탈진부와;
    상기 태엽부와 탈진부 사이에 구성되어 탈진부의 공진 주기와 힘을 설정하는 기어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 변환부는 풍력, 수력, 온도차, 진동, 충격, 인력 중 적어도 하나의 에너지를 회전 운동으로 변환하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 변환부는 과도한 충격이나 상기 태엽부의 상태에 따라 외부 에너지 변환을 중단하는 차단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 하베스팅부는 상기 베이스 플레이트의 움직임을 가이드하는 본체부를 포함하며, 상기 베이스 플레이트와 상기 본체부 사이에 구성되어 상기 베이스 플레이트의 왕복 운동을 유도하는 베이스 플레이트 탄성 유지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 하베스팅부는 상기 판스프링과 자성 추에 따른 고유 진동수는 판스프링의 물리적 배치 상태, 자성 추의 무게나 위치 중 적어도 하나의 조절에 의해 가변될 수 있으며, 이러한 조절 방식 중 하나를 이용하는 고유 진동수 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 베이스 플레이트에 배치되는 판스프링은 복수로 구성되고 상기 판스프링들은 2개 이상의 상이한 고유 진동수로 구분되는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 하베스팅부는 상기 전력 변환부의 전력을 수집 및 충전하여 외부 장치를 위한 전원을 제공하는 발전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스팅을 이용한 발전 시스템.
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