KR101569133B1 - Energy harvesting apparatus for bicycle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자전거용 에너지 수확 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일상생활 속에서 흔히 사용되는 자전거를 이용하여 에너지를 효율적으로 수확할 수 있도록, 구조가 개선된 자전거용 에너지 수확 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 기후변화와 같은 환경문제들이 주목을 받으면서 정부차원에서 탄소배출 감량을 위한 저탄소 녹색성장을 도모하고 있다. 대표적인 저탄소 녹색교통수단인 자전거가 바로 그 예로, 이미 많은 도시에 공공자전거가 설치되어 운영되고 있다. 특히, 이러한 공공자전거에는 허브 다이나모(Hub dynamo)가 설치되어 자가발전을 통한 전조등 사용이 가능하고 자전거의 친환경적 의미를 더해준다.Recently, environmental problems such as climate change have attracted attention, and government is promoting low carbon green growth for carbon emission reduction. For example, bicycles are a typical example of low-carbon green transportation. Public bicycles are already installed in many cities. Especially, these public bicycles are equipped with a hub dynamo, which makes it possible to use headlamps through self-generation and adds to the environment-friendly meaning of bicycles.
주로 자전거의 앞바퀴 허브에 장착되는 허브 다이나모는 전자기 유도현상을 이용하는 전력발생 장치로 영구자석이 있어 배터리가 필요 없다는 장점이 있다. 하지만, 허브 다이나모는 바퀴의 구름성에 영향을 주어 사용자의 운동부하를 높이며, 일정한 속도에서 정격 출력에 도달하여 최대의 효율을 갖고 그 외의 속도에서는 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 리튬이온 배터리를 사용하는 전기자전거에 비해 상대적으로 전력이 낮기 때문에 그 활용범위도 제한적일 수밖에 없다. 따라서, 기존의 허브 다이나모를 보조하여 보다 크고 안정적인 전력을 생산하기위한 에너지 수확 장치의 개발이 필요하다. The hub dynamo, which is mainly mounted on the front wheel hub of a bicycle, is a power generating device that uses electromagnetic induction phenomenon. It has a permanent magnet and does not require a battery. However, the hub dynamo affects the rolling characteristics of the wheels, increasing the user's motion load, reaching the rated output at a constant speed, resulting in maximum efficiency and low efficiency at other speeds. In addition, since the electric power is lower than that of an electric bicycle using a lithium ion battery, its application range is limited. Therefore, it is necessary to develop an energy harvesting device to assist the existing hub dynamo to produce larger and more stable power.
이러한 추가적인 에너지 수확을 위해서는 주행 중인 자전거의 동적 특성에 대한 이해가 우선해야 한다. 자전거 시스템의 특성상 매끄럽지 못한 노면을 주행하면서 발생하는 진동에너지가 상당히 많고 그 방향과 크기가 수시로 변화한다. 특히 자전거의 충격 흡수 장치(suspension)를 포함한 바퀴에서의 진동 가속도 수치가 8g 까지 측정된 바 있으며 이는 전기에너지로 변환하기에 적합한 수준이라고 할 수 있다.For this additional energy harvest, understanding of the dynamic characteristics of the bike in motion should be prioritized. Due to the characteristics of the bicycle system, the vibration energy generated when traveling on a non-smooth road surface is considerably large, and its direction and size change from time to time. In particular, vibration acceleration values on wheels including bike shock absorbers have been measured up to 8 g, which is a reasonable level for conversion to electrical energy.
따라서, 이러한 자전거의 무작위적 진동 메커니즘을 triboelectric material에 적용하여 에너지를 수확하는 장치를 고안할 필요성이 제기되었다. Therefore, there is a need to design a device for harvesting energy by applying a random vibration mechanism of such a bicycle to a triboelectric material.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 생활 속에서 흔히 사용되는 자전거의 동적 특성을 이용하여 에너지를 효율적으로 수확할 수 있게 하는 자전거용 에너지 수확 장치를 제공하고자 하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an energy harvesting apparatus for a bicycle which can efficiently harvest energy using dynamic characteristics of a bicycle commonly used in daily life .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자전거용 에너지 수확 장치는, 자전거 휠의 중심에 배치되는 허브와 자전거 타이어가 결합되는 림 사이에 길게 배치되고, 대전 가능한 재질로 형성되는 복수의 스포크들; 및 상기 복수의 스포크들 중 적어도 하나를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 스포크의 외주면과 접촉 및 분리되는 경우에 마찰대전이 가능하도록 적어도 상기 스포크의 외주면과 접촉되는 내주면이 대전 가능한 재질로 형성되는 대전 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided an energy harvesting apparatus for a bicycle, comprising: a plurality of spokes arranged in a lengthwise manner between a hub disposed at a center of a bicycle wheel and a rim to which a bicycle tire is coupled; And at least one inner peripheral surface which is in contact with an outer circumferential surface of the spokes so as to enable friction charging when the outer peripheral surface of the spokes is contacted with and separated from the outer peripheral surfaces of the plurality of spokes, ; And
상기 대전 유닛은, 상기 스포크를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 스포크의 외주면과 접촉되는 내주면을 가지는 대전부; 및 일단이 상기 허브와 림 중 어느 하나에 연결되고, 타단이 상기 대전부에 연결되는 지지부;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. The charging unit may include a charging unit arranged to surround the spokes and having an inner circumferential surface contacting the outer circumferential surface of the spokes; And a support part having one end connected to one of the hub and the rim and the other end connected to the charging part.
상기 대전부는, 상기 스포크가 관통하여 설치되게 하는 관통공 이외에 외부 공기가 그 대전부 내부로 유입될 수 있도록, 복수의 구멍들을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. The charging unit may further include a plurality of holes so that external air can be introduced into the charging unit in addition to the through holes through which the spokes are installed.
상기 스포크는, 적어도 상기 허브와 연결되는 부위가 그 허브와 동일한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that at least a portion of the spoke connected to the hub is made of the same material as the hub.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 자전거용 에너지 수확 장치는, 자동차 휠에 전달되는 진동 또는 스포크와 대전 유닛 사이로 유동하는 공기에 의한 저항 등에 의해 대전 유닛이 스포크에 대해 반복적인 틸팅(tilting)이 발생하게 됨에 따라, 스포크의 외주면과 대전 유닛의 내주면의 마찰대전에 의한 에너지 수확을 가능하게 한다.The energy harvesting device for a bicycle according to the present invention having the above-described configuration is characterized in that the charging unit is repeatedly tilted with respect to the spoke by vibrations or spokes transmitted to an automobile wheel and resistance by air flowing between the charging units, The energy recovery by the friction charging between the outer circumferential surface of the spoke and the inner circumferential surface of the charging unit becomes possible.
결국, 본 발명에 의하면, 자전거의 허브에 캔틸레버 형태의 대전 유닛을 연결하여 알루미늄 스포크를 감싸도록 구성하고, 도로 주행시 도로 주행 시의 차체 진동과 휠의 회전으로 인한 공기저항을 이용하여 스포크와 대전 유닛 간의 접촉과 분리가 반본적으로 발생할 수 있도록 구성됨으로써, 자전거의 활용성이 증대되고 있는 현 상황에서 기존의 허브다이나모의 전력생산을 대체 또는 보조할 수 있는 장점이 기대된다. As a result, according to the present invention, a cantilever-shaped charging unit is connected to a hub of a bicycle to enclose an aluminum spoke. By using the air resistance due to the body vibration at the time of road driving and the rotation of the wheel, It is anticipated that the advantage of replacing or supplementing the power generation of the existing hub dynamo in the current situation where the utilization of the bicycle is being increased.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자전거용 에너지 수확 장치의 사용 상태도를 보인 측면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ부분 확대도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도.
도 4는 본 발명 일실시예의 마찰대전 원리를 설명하기 위한 동작상태도.
도 5는 본 발명 일실시예에 채용되는 대전 유닛의 재질 선정을 위한 수학적 모델링에 관한 참고 도면.1 is a side view showing a state of use of an energy harvesting apparatus for a bicycle according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a partially enlarged view of Fig. 1; Fig.
3 is a sectional view taken along the line III-III of Fig.
4 is an operational state diagram for explaining the triboelectrification principle of the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a reference drawing related to mathematical modeling for selecting a material of a charging unit employed in an embodiment of the present invention. FIG.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 자전거용 에너지 수확 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an energy harvesting apparatus for a bicycle according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자전거용 에너지 수확 장치의 사용 상태도를 보인 측면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ부분 확대도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이며, 도 4는 본 발명 일실시예의 마찰대전 원리를 설명하기 위한 동작상태도이다.FIG. 1 is a side view showing a state of use of an energy harvesting apparatus for a bicycle according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of part II of FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view of III- Is an operational state diagram for explaining the principle of triboelectrification according to one embodiment of the present invention.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 자전거용 에너지 수확 장치(100)는, 도 1과 같이, 생활 속에서 대중적으로 사용되는 자전거의 무작위적 진동 메커니즘을 triboelectric material에 적용하여 에너지를 수확하기 것으로, 특히, 자전거 바퀴의 스포크(1)(spoke)에 설치하는 모듈을 적용함으로써 노면에 의한 진동과 공기저항에 의한 진동을 충분히 이용하고자 고안된 것으로, 복수의 스포크(1)들과 대전 유닛(2)을 포함하여 이루어진다.As shown in these drawings, the
상기 각 스포크(1)는, 자전거 휠의 중심에 배치되는 허브와 자전거 타이어가 결합되는 림 사이에 길게 배치되고, 대전 가능한 재질로 형성된다. 예컨대, 상기 스포크(1)는, 알루미늄 합금과 같은 (+)로 대전이 쉽게 이루어지는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.Each of the
상기 대전 유닛(2)은, 도 2 및 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 복수의 스포크(1)들 중 적어도 하나를 감싸는 형태로 배치되고, 내주면이 상기 스포크(1)의 외주면과 접촉이 이루어지는 경우 마찰대전이 발생하는 재질로 형성된다. 예컨대, 상기 대전 유닛(2)의 내주면은 PDMS(Polydimethylsiloxane)재질로 코팅 형성됨에 따라, (-)전하로 대전이 용이하게 이루어진다.2 and 3, the
상기 대전 유닛(2)은, 캔틸레버 타입의 동적 거동이 발생할 수 있도록, 일단이 상기 자전거의 허브 측에 고정 설치되고 타단이 자유운동 가능하게 되어 있다. One end of the
이러한 구성을 가지는 본 발명에 의한 자전거용 에너지 수확 장치(100)는, 자동차 휠에 전달되는 진동 또는 상기 스포크(1)와 대전 유닛(2) 사이로 유동하는 공기에 의한 저항 등에 의해, 상기 대전 유닛(2)의 대표적인 틸팅 거동인 도 4의 (a),(b),(c)에 잘 도시된 바와 같이, 상기 대전 유닛(2)이 스포크(1)에 대해 반복적인 틸팅(tilting)이 발생하게 됨에 따라, 상기 스포크(1)의 외주면과 대전 유닛(2)의 내주면의 마찰대전에 의한 에너지 수확을 가능하게 하는 장점을 도출한다. The
결국, 본 발명에 의하면, 자전거의 허브에 캔틸레버 형태의 대전 유닛(2)을 연결하여 알루미늄 스포크(1)를 감싸도록 구성하고, 도로 주행시 도로 주행 시의 차체 진동과 휠의 회전으로 인한 공기저항을 이용하여 스포크(1)와 대전 유닛(2) 간의 접촉과 분리가 반본적으로 발생할 수 있도록 구성됨으로써, 자전거의 활용성이 증대되고 있는 현 상황에서 기존의 허브다이나모의 전력생산을 대체 또는 보조할 수 있는 장점이 기대된다. As a result, according to the present invention, the cantilever
상기 대전 유닛(2)은, 캔틸레버 형태의 동적 거동이 가능하도록, 자유운동이 가능한 대전부(22)와, 상기 대전부(22)를 자유운동 가능하게 지지시키는 지지부(21)를 포함하여 이루어진다.The
상기 대전부(22)는, 상기 스포크(1)를 감싸는 형태로 배치되고 상기 스포크(1)의 외주면과 접촉되는 내주면을 가지며, 상기 지지부(21)는, 일단이 상기 허브와 림 중 어느 하나에 연결되고 타단이 상기 대전부(22)에 연결된다. The
이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 대전부(22)의 지지부(21)에 연결되어 있지 않은 부분이 상기 스포크(1)에 대해 상대적으로 틸팅될 수 있도록 구성됨으로써, 상기 대전부(22)와 스포크(1) 간의 접촉 및 분리를 가능하게 한다.
The present embodiment having such a configuration is configured such that a portion of the
1) 대전 유닛(2)의 재질의 선정1) Selection of material of
한편, 상기 대전 유닛(2)의 탄성 계수(E)는, 도 5와 같은 선형화 모델을 통한 수학적 해석을 통해 결정될 수 있다.On the other hand, the elastic modulus E of the
도 5는 본 발명 일실시예에 채용되는 대전 유닛(2)의 재질 선정을 위한 수학적 모델링에 관한 참고 도면이다. 5 is a reference diagram related to mathematical modeling for selecting a material of the
즉, 본 발명에 의한 에너지 수확 장치를 이용하여 지속적이고 안정적인 전기에너지를 생산하기 위해서는 자전거 차체의 Random vibration과 공기마찰에 대하여 원통 질량체인 상기 대전부(22)가 일정 크기 이상의 진폭을 갖고 지속적인 진동을 유지하여야 한다.That is, in order to produce continuous and stable electrical energy using the energy harvesting apparatus according to the present invention, the
도 5의 (a)는 도 2의 에너지 수확 장치를 도식화 한 것이다. 질량 m은 원통형 중공축(대전부(22))의 질량을 나타내며 E, A, I, l(L의 소문자)은 각각 대전 유닛(2)의 탄성계수, 단면적, 단면 2차 모멘트, 길이를 나타낸다. 이 때, 스포크(1) 자체의 기하학적 형상에 맞게 상기 대전부(22)의 형상이 결정되므로 상기 대전부(22)의 탄성계수 E를 제외한 나머지 변수들은 상수로 정해지게 된다. FIG. 5A is a schematic view of the energy harvesting apparatus of FIG. 2. FIG. The mass m represents the mass of the cylindrical hollow shaft (charging portion 22), and E, A, I, l (lower case letters of L) represent the elastic modulus, cross-sectional area, . At this time, since the shape of the
따라서, 선형화와 같은 적절한 가정을 통해 상기 대전부(22)의 탄성계수 E를 구하고 이에 맞는 물성을 갖는 재료를 상기 대전 유닛(2)의 제작에 사용해야 한다. 만약, 탄성계수 E가 너무 크다면 상기 대전부(22)는 자전거의 진동이나 공기저항에도 굽혀지지 않아 스포크(1)와 접촉하지 못할 것이고, 탄성계수 E가 너무 작다면 공기저항의 영향을 크게 받아 스포크(1)와 계속 접촉해 있거나 상기 대전부(22)의 무게로 인한 처짐 발생으로 역시 스포크(1)와 계속 접촉을 하게 될 것이다. Therefore, the elastic modulus E of the
먼저, 탄성계수 E를 구하기 위해서 도 5 (a)의 에너지 수확 장치 모델을 도 5 (b)의 Spring - mass system으로 선형화하여 나타냈다. 이 때, 가진되는 힘 F(t)는 일정 속도(25km/h)로 주행하는 자전거에서 모듈이 받는 공기저항과 같다. First, in order to obtain the elastic modulus E, the energy harvesting apparatus model of Fig. 5 (a) was linearized by the spring-mass system of Fig. 5 (b). At this time, the excited force F (t) is equal to the air resistance received by the module on a bicycle traveling at a constant speed (25 km / h).
자전거 바퀴의 위쪽 반원에서는 자전거의 주행 방향과 휠의 회전 방향이 같기 때문에 최대의 힘을 받고, 아래쪽 반원에서는 자전거의 주행 방향과 휠의 회전 방향이 반대이기 때문에 최소의 힘을 받게 된다. 따라서 가진되는 힘, 즉 공기저항이 일정한 주기성을 갖기 때문에 로 표현 하였다. 다음으로 의 크기를 구하기 위해서 원통형 물체 주위를 흐르는 유체의 항력(Drag force)을 구해야 하며, 그 식은 다음과 같다.The upper half of the bicycle wheel receives the maximum force because the bicycle's running direction is the same as the wheel's rotating direction. In the lower half circle, the bicycle's running direction is opposite to the wheel's rotating direction. Therefore, since the excited force, that is, the air resistance, has a constant periodicity Respectively. to the next The drag force of the fluid flowing around the cylindrical object should be obtained.
이 때,, 는 공기의 밀도, U는 자전거의 주행속도, A는 원통 질량체의 단면적으로 지름과 길이의 곱으로 나타낼 수 있다. At this time, , Is the density of air, U is the running speed of the bicycle, and A is the cross-sectional area of the cylindrical mass and can be expressed as the product of the diameter and the length.
결과적으로 을 구할 수 있고, 바퀴의 회전 진동수 임을 알 수 있다.
As a result And the rotational frequency of the wheel .
따라서, 이 Spring - mass system의 해는 이고, 여기서 최대 진폭은 원통형 질량체의 내부와 스포크(1)와의 초기 거리인 0.002m가 되어야 Press & release motion이 가능하게 된다. Therefore, the solution of this spring - mass system is , Where the maximum amplitude is 0.002 m, the initial distance between the inside of the cylindrical mass and the
따라서,이고 가 된다. 이 때 이므로, 최종적인 탄성계수 E의 값은 로 구할 수 있다. 결국, 이를 만족할 수 있는 상기 대전부(22)의 재료는 0.0003~2.76GPa의 넓은 탄성계수 범위를 갖는 합성고무에서 적절한 종류를 선택하는 것이 바람직하다.therefore, ego . At this time , The value of the final elastic modulus E is . As a result, it is preferable to select a suitable type of material for the charging
이상, 수학적 모델링을 통한 상기 대전 유닛(2)의 재질 선정에 관하여 설명하였다.
The material selection of the charging
한편, 상기 대전부(22)는, 상기 스포크(1)가 관통하여 설치되게 하는 관통공 이외에 외부 공기가 그 대전부(22) 내부로 유입될 수 있도록, 복수의 구멍(22a)들을 더 포함하는 것이 바람직하다.The charging
이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 대전부(22) 내부의 난류 유동을 유도하여 상기 스포크(1)와 대전부(22) 간의 진동을 통한 마찰을 더욱 크게 할 수 있게 됨으로써, 에너지 수확 효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 장점을 가진다. This embodiment having such a configuration can induce the turbulent flow inside the charging
상기 스포크(1)는, 적어도 상기 허브와 연결되는 부위가 그 허브와 동일한 재질로 이루어짐으로써, 단일 전극으로서의 역할을 하도록 구성되는 것이 바람직하다.The spokes (1) are preferably configured to function as a single electrode because at least a portion connected to the hub is made of the same material as the hub.
이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Do.
100:자전거용 에너지 수확 장치
1:스포크 2:대전 유닛
21:지지부 22:대전부
22a:구멍100: Energy harvesting equipment for bicycles
1: spoke 2: charging unit
21: Support part 22:
22a: hole
Claims (4)
상기 복수의 스포크들 중 적어도 하나를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 스포크의 외주면과 접촉 및 분리되는 경우에 마찰대전이 가능하도록 적어도 상기 스포크의 외주면과 접촉되는 내주면이 대전 가능한 재질로 형성되는 대전 유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거용 에너지 수확 장치.A plurality of spokes arranged in a length between a hub disposed at the center of the bicycle wheel and a rim to which the bicycle tire is engaged and formed of a chargeable material; And
A charging unit arranged to surround at least one of the plurality of spokes and having an inner circumferential surface which is in contact with an outer circumferential surface of at least the spokes so as to be capable of friction charging when the outer circumferential surface of the spokes contacts and separates, And an energy recovery device for recovering energy of the bicycle.
상기 대전 유닛은,
상기 스포크를 감싸는 형태로 배치되고, 상기 스포크의 외주면과 접촉되는 내주면을 가지는 대전부; 및
일단이 상기 허브와 림 중 어느 하나에 연결되고, 타단이 상기 대전부에 연결되는 지지부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거용 에너지 수확 장치.The method according to claim 1,
The charging unit includes:
A charging unit arranged to surround the spokes and having an inner circumferential surface contacting the outer circumferential surface of the spokes; And
And a support part having one end connected to one of the hub and the rim and the other end connected to the charging part.
상기 대전부는, 상기 스포크가 관통하여 설치되게 하는 관통공 이외에 외부 공기가 그 대전부 내부로 유입될 수 있도록, 복수의 구멍들을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거용 에너지 수확 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the charging unit further includes a plurality of holes so that outside air can be introduced into the charging unit other than the through holes through which the spokes are installed.
상기 스포크는, 적어도 상기 허브와 연결되는 부위가 그 허브와 동일한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거용 에너지 수확 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the spoke is made of the same material as at least a portion of the spoke connected to the hub.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020140128940A KR101569133B1 (en) | 2014-09-26 | 2014-09-26 | Energy harvesting apparatus for bicycle |
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Citations (1)
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JP2012175766A (en) | 2011-02-18 | 2012-09-10 | Ueda Brake Kk | Vibration power generation driving method and vibration power generation driving device for traveling body |
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2014
- 2014-09-26 KR KR1020140128940A patent/KR101569133B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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JP2012175766A (en) | 2011-02-18 | 2012-09-10 | Ueda Brake Kk | Vibration power generation driving method and vibration power generation driving device for traveling body |
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