KR101713798B1 - Wideband piezoelectric energy harvester - Google Patents
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- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
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Abstract
Description
본 발명은 진동기반 에너지 하베스터 (harvester)에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 압전 효과를 이용하여 넓은 주파수 대역의 진동에너지를 전기에너지로 변환 및 수확할 수 있는 에너지 하베스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 유한한 화석에너지에 의한 에너지 가격 상승과 환경 문제로 인하여 친환경 에너지 자원 개발에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.Recently, due to rising energy prices due to finite fossil energy and environmental problems, there is a growing demand for the development of eco - friendly energy resources.
이에 따라 환경의 훼손을 줄이면서도 기존의 화석에너지를 대체할 만한 안정적으로 공급할 수 있는 새로운 신재생에너지 자원 개발연구와 기존 에너지 효율 향상 및 에너지 저감 기술에 대한 개발 연구가 상당히 집중 받고 있다.As a result, research on the development of new renewable energy resources that can replace existing fossil fuels in a stable manner and reduce the environmental damage, as well as development of existing energy efficiency and energy reduction technologies, have been intensively concentrated.
이를 위하여 최근 신체 혹은 전자기기, 기계 등으로부터 발생하는 주변 진동으로부터 전기 에너지를 수확하는 진동에너지 하베스팅 기술이 압전, 정전 유도, 전자기 유도 등을 이용한 형태로 다양하게 연구되고 있다.Recently, vibration energy harvesting technology that harvests electric energy from peripheral vibrations generated from the body, electronic devices, machines, and the like has been studied in various forms using piezoelectric, electrostatic induction, electromagnetic induction, and the like.
종래 개발된 전기 에너지를 수확하는 압전 에너지 하베스터는 수직 방향에서 가해지는 진동에 따라 외팔보는 상하 진동을 하며, 그로 인해 압전 외팔보는 수축/인장의 변형을 일으키고, 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으킴으로써 전위차를 발생하게 한다.The piezoelectric energy harvester, which harvests the electric energy that has been conventionally developed, vibrates up and down according to the vibration applied in the vertical direction, causing the piezoelectric cantilever to deform shrinkage / tension and cause such polarization to cause polarization Thereby generating a potential difference.
이러한 구조의 압전 에너지 하베스터는 소자의 공진주파수에서 최대 전기에너지가 발생 되는데, 이러한 종래의 압전 에너지 하베스팅 기술에서 소자의 경우 하나의 공진주파수를 가지므로 동작 주파수 범위가 매우 작기 때문에 다양한 주파수와 크기를 갖는 주변진동에서 전기에너지의 수확이 용이하지 않고, 효율이 떨어지게 되는 현상이 발생된다.The piezoelectric energy harvester of this structure generates the maximum electric energy at the resonance frequency of the device. In the conventional piezoelectric energy harvesting technique, since the resonance frequency of the device is one, the operating frequency range is very small. The electric energy is not easily harvested from the peripheral vibration and the efficiency is lowered.
본 발명은 2개의 질량체와 2개의 외팔보를 이용하며 제1 질량체의 충격에 의해 제2 외팔보로 응력이 가해질 수 있는 구조를 형성하여, 주파수 상향방식을 통해 저주파수 대역의 무작위 진동범위에서도 동작이 가능한 광대역 압전 에너지 하베스터의 구조 및 작동원리를 제공하는데 목적이 있다.The present invention uses two masses and two cantilevers to form a structure that can be stressed by the second cantilever due to the impact of the first mass body, and is capable of operating in a random frequency range of a low frequency band The purpose of the piezoelectric energy harvester is to provide the structure and operating principle.
본 발명의 실시 예에 따르면 광대역 압전 에너지 하베스터는 한 쪽 끝 단이 고정된 탄성부재를 포함하는 고정 외팔보, 고정 외팔보의 고정되지 아니한 탄성부재의 끝 단에 연결되는 제1 질량체, 상기 제1 질량체와 충돌하여 충격을 발생하는 스토퍼, 상기 제1 질량체가 한 쪽 끝 단에 고정된 탄성부재를 포함하는 압전 외팔보, 상기 압전 외팔보의 고정되지 아니한 탄성부재의 끝 단에 연결되는 제2 질량체를 포함할 수 있고, 상기 제1 질량체가 스토퍼를 가격하여 발생한 충격을 상기 압전 외팔보 및 제2 질량체에 전달하여 전기에너지를 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a broadband piezoelectric energy harvester includes a fixed cantilever having one end fixed to an elastic member, a first mass connected to an end of an unfixed elastic member of the fixed cantilever, And a second mass connected to an end of the non-fixed elastic member of the piezoelectric cantilever, wherein the first mass body includes an elastic member fixed to one end of the piezoelectric body, And the impact generated by the first mass body at the stopper can be transmitted to the piezoelectric cantilevers and the second mass body to generate electric energy.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 고정 외팔보는, 한쪽 단이 고정단에 연결되어 고정되어 있으며, 제1 질량체가 연결된 반대쪽 끝 단은 고정되지 않은 자유단일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fixed cantilever is fixed to one end of the stationary cantilever, and the opposite end of the fixed cantilever to which the first mass is connected may be a free single fixed.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 고정 외팔보는, 상기 고정 외팔보에 포함된 탄성부재가 고유 공진 주파수가 낮으며 진동 시 변위가 큰 특성을 가진 폴리머 계열의 재질로 이루어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fixed cantilever beam may be formed of a polymer material having a characteristic that the elastic member included in the fixed cantilever beam has a low specific resonance frequency and a large displacement during vibration.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 질량체는, 육면체 형상을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first mass body may have a hexahedral shape.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 질량체는, 상기 제1 질량체가 상기 스토퍼와 충돌하여 충격이 발생하면 입력주파수보다 상향된 출력 주파수로 변환되며, 상기 상향된 출력 주파수는 상기 압전 외팔보의 고유 공진 주파수와 같을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the first mass body collides with the stopper and an impact occurs, the first mass body is converted into an output frequency that is higher than the input frequency, It may be equal to the resonance frequency.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 질량체는, 상기 출력 전압은 충돌 가속도가 클수록 더 높아질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the output voltage of the first mass body may become higher as the collision acceleration is larger.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 질량체는, 상기 출력 대역폭은 충돌 가속도가 클수록 더 넓어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the output bandwidth of the first mass body may be wider as the collision acceleration is larger.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1 질량체는, 상기 출력 대역폭은 상기 제1 질량체와 상기 스토퍼의 간격이 작을수록 더 넓어질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the output bandwidth of the first mass body may be wider as the gap between the first mass body and the stopper is smaller.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 광대역 압전 에너지 하베스터는 40 Hz 이하의 주파수에서도 동작이 가능할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the broadband piezoelectric energy harvester can operate at a frequency of 40 Hz or less.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 광대역 압전 에너지 하베스터는 진동이 발생할 수 있는 장치 및 구조물에 설치하여 전기 에너지를 하베스팅 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a wideband piezoelectric energy harvester can be installed in devices and structures capable of vibrating to harvest electrical energy.
본 발명에 따르면 에너지 하베스터가 충격에 의해 입력대비 출력주파수가 상향되는 방식으로 압전 외팔보의 고유 공진 주파수까지 출력주파수가 올라가기 때문에 전기에너지를 효율적으로 수집할 수 있으며, 충격으로 인한 제2 질량체의 진동을 통해 에너지 하베스터가 동작하므로 충격 범위 내에서 비슷한 크기의 전압을 출력 가능하므로 충격 범위와 같은 넓은 대역에서도 동작이 가능한 효과가 존재한다.According to the present invention, since the output frequency of the energy harvester is increased up to the resonance frequency of the piezoelectric cantilever in such a manner that the output frequency of the energy harvester is increased by the impact, the electric energy can be efficiently collected, The energy harvester can operate with a voltage of a similar magnitude within the impact range, so that it can operate in a wide band such as an impact range.
도 1은 종래의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 실제로 구현한 광대역 압전 에너지 하베스터의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 제2 질량체의 변화에 따른 변위 및 변위에 따라 발생하는 전압을 산출식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 입력 가속도와 출력 전압의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 가속도별 입력 주파수에 따른 출력 전압에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 제1 질량체와 스토퍼 사이의 간격과 입력 주파수에 따른 출력 전압의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 부하 저항에 따른 출력 전압과 최대 전력의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional piezoelectric energy harvester.
2 is a block diagram illustrating a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
3 is a side view of a broadband piezoelectric energy harvester actually implemented in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining a formula for calculating a voltage generated according to a displacement and a displacement according to a change of a second mass of a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating a relationship between an input acceleration and an output voltage of a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph illustrating an output voltage according to an input frequency according to an acceleration of a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 7 is a graph illustrating a relationship between a gap between a first mass body and a stopper of a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention and an output voltage according to an input frequency.
8 is a graph illustrating a relation between an output voltage and a maximum power according to a load resistance of a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 종래의 압전 에너지 하베스터를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional piezoelectric energy harvester.
도 1에 도시된 것과 같이 보편적인 진동 기반의 압전 에너지 하베스터는 고정단(11), 압전 외팔보(12), 상부전극(13), 하부전극(14), 질량체(15)를 포함할 수 있다.As shown in Fig. 1, a general vibration-based piezoelectric energy harvester may include a fixed
여기서 에너지 하베스터란 주변의 열 에너지, 빛 에너지, 풍력 에너지, 조력 에너지, 진동 에너지, 압력 에너지 등 여러 가지 일상생활에서 버려지는 에너지들을 전기에너지로 변환하는 장치를 의미할 수 있다. Here, the energy harvester can be a device that converts the abandoned energy from various daily activities such as thermal energy, light energy, wind energy, tidal energy, vibration energy, and pressure energy into electric energy.
도 1을 참조하면 압전 외팔보(12)는 상부전극(13)과 하부전극(14)이 상, 하부에 부착된 탄성부재를 의미할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
그리고 압전 외팔보(12)의 한 쪽 끝 단에는 질량체(15)가 부착될 수 있다.And the
도 1의 종래의 압전 에너지 하베스터는 에너지 하베스터의 수직 방향에서 가해지는 진동에 따라 압전 외팔보(12)는 상하로 진동을 할 수 있다.The conventional piezoelectric energy harvester of FIG. 1 can vibrate the
그로 인해 압전 외팔보(12)는 수축 및/또는 인장의 변형을 일으킬 수 있으며, 이로 인하여 분극(polarization)이 일어나 전위차가 발생할 수 있다.As a result, the
이러한 압전 에너지 하베스터(12)는 포함된 소자의 공진주파수에서 최대 전기에너지가 발생하며, 압전 에너지 하베스터(12)의 소자의 경우 하나의 공진주파수를 가지므로 동작 주파수 범위가 매우 협소하여 다양한 주파수와 크기를 갖는 주변진동에서 전기에너지의 수확이 용이하지 않으며 효율이 떨어질 수 있다.Since the
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터를 나타낸 구성도이다.2 is a block diagram illustrating a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면 광대역 압전 에너지 하베스터는 고정 외팔보(100), 제1 질량체(200), 스토퍼(300), 압전 외팔보(400), 제2 질량체(500)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the broadband piezoelectric energy harvester may include a
고정 외팔보(100)는 한 쪽 끝 단이 고정된 탄성부재를 포함할 수 있다.The
또한 본 발명의 일 실시 예에 따르면 고정 외팔보(100)는 포함된 탄성부재의 한 쪽 끝 단이 고정단(600)에 연결될 수 있으며, 고정단(600)은 제1 질량체가 연결된 탄성 부재의 반대 쪽 끝 단에 연결될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 고정 외팔보(100)는 한쪽 단이 고정단(600)에 연결되어 고정되어 있으며, 제1 질량체가 연결된 반대쪽 끝 단은 고정되지 않은 자유 단을 이룰 수 있다.According to an embodiment of the present invention, one end of the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 고정 외팔보(100)는 포함된 탄성부재는 고유 공진 주파수가 낮으며 진동 시 변위가 큰 특성을 가진 폴리머 계열의 재질로 이루질 수 있으나 이에 한정되지 아니하며, 고유 공진 주파수가 상대적으로 낮고 진동 시 변위가 큰 재질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the elastic member included in the fixed
제1 질량체(200)는 고정 외팔보의 고정되지 아니한 탄성부재의 끝 단에 부착될 수 있다.The first
본 발명의 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)는 고정 외팔보(100)의 자유 단에 연결되어 고정될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the first
상기 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)는 고정 외팔보(100)의 자유 단에 고정되어 고유진동수가 고정 외팔보(100)가 고정된 구조체와 고유진동수와 동일하거나 근접하게 설정되어 공진할 수 있다.According to this embodiment, the first
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)는 육면체의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되지 아니하고 스토퍼(300)와 충돌하여 일정한 충격을 발생할 수 있는 구조라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first
스토퍼(300)는 제1 질량체(200)와 충돌하여 충격을 발생할 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면 스토퍼(300)는 제1 질량체와 충돌하여 기계적인 충격을 발생할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the
상기 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)가 스토퍼(300)를 가격함으로써 기계적인 충격을 발생할 수 있으며, 발생한 충격을 압전 외팔보(400) 및 제2 질량체(500)에 전달할 수 있다.According to this embodiment, the first
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)가 스토퍼(300)와 충돌하여 충격이 발생하면 입력주파수보다 상향된 출력 주파수로 변환될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the first
또한 상향된 출력 주파수는 압전 외팔보(400)의 고유 공진 주파수와 같을 수 있다.Also, the upward output frequency may be equal to the natural resonance frequency of the
이 때 충격이 발생하면 입력주파수보다 상향된 출력 주파수로 변환되며, 상향된 출력 주파수는 압전 외팔보(400)의 고유 공진 주파수와 동일할 수 있다.At this time, if an impact occurs, the output frequency is converted to an output frequency that is higher than the input frequency, and the upward output frequency may be the same as the resonance frequency of the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 출력 전압은 제1 질량체(200)와 스토퍼(300)의 충돌 가속도가 클수록 더 높아질 수 있다.The output voltage may be higher as the collision acceleration between the first
여기서 제1 질량체(200)와 스토퍼(300)의 충돌 가속도는 제1 질량체(200)가 상하로 움직이는 가속도를 의미할 수 있다.Here, the collision acceleration between the first
압전 외팔보(400)는 제1 질량체가 한 쪽 끝 단에 고정된 압전부재를 포함할 수 있다.The
여기서 압전 외팔보(400)는 압전부재(410)와, 전극들(420,430)을 포함할 수 있다.Here, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제1 질량체(200)가 스토퍼(300)로부터 전달된 기계적인 충격으로 인하여 압전부재(410)는 제2 질량체(500)에 의하여 진동하면서 압전부재(410)의 표면이 인장 또는 수축 변형을 일으킬 수 있다.The first
압전부재(410)의 표면이 인장 또는 수축 변형한 결과, 에너지 하베스터는 진동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있다.As a result of the surface of the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 압전부재(410)로는 표면이 인장 또는 수축 변형되어 진동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있는 재질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면 압전부재(410)는 압전 세라믹을 사용하여 제조될 수 있으나 이에 한정되지 아니하며, 일정한 방향에서 외력을 가할 때 그 외력에 비례해서 양, 음의 전하가 나타나는 압전기 현상을 일으킬 수 있는 소재라면 제한 없이 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
전극들(420,430)은 압전 외팔보(400)에 포함되어 압전부재(410)의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받을 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따르면 전극들(420,430)은 압전부재(410)의 양쪽 면에 나뉘어 형성될 수 있으며, 이때 압전부재(410)의 한쪽 면이 인장되고 반대쪽 면이 수축되는 변형을 하게 되면, 압전부재(410)에 가해지는 외력을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the
제2 질량체(500)는 압전 외팔보의 고정되지 아니한 압전부재(410)의 끝 단에 부착될 수 있다.The second
제2 질량체(500)는 압전 외팔보(400)의 자유 단에 고정되어 고유진동수가 압전 외팔보(400)의 고유진동수와 동일하거나 근접하게 설정되어 공진할 수 있다.The second
본 발명의 일 실시 예에 따르면 광대역 압전 에너지 하베스터는 40 Hz 이하의 주파수에서도 동작할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the broadband piezoelectric energy harvester can operate at frequencies below 40 Hz.
또한 광대역 압전 에너지 하베스터는 동이 발생할 수 있는 장치 및 구조물에 설치하여 전기 에너지를 하베스팅 할 수 있다.The broadband piezoelectric energy harvester can also harvest electrical energy by installing it on devices and structures where copper can occur.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 실제로 구현한 광대역 압전 에너지 하베스터의 측면도이다.3 is a side view of a broadband piezoelectric energy harvester actually implemented in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면 광대역 압전 에너지 하베스터는 고정 외팔보(100)의 진동으로 인하여 제1 질량체(200)와 스토퍼(300)가 충돌하여 기계적 충돌을 발생할 수 있다.Referring to FIG. 3, the broadband piezoelectric energy harvester may cause mechanical collision between the first
이때 발생한 충격을 압전 외팔보(400) 및 제2 질량체(500)에 전달하여 진동을 발생시킴으로써 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.The impact generated at this time is transmitted to the
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 제2 질량체(500)의 변화에 따른 변위 및 변위에 따라 발생하는 전압을 산출식을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining an equation for calculating a voltage generated according to displacement and displacement of a second
도 4를 참조하면 광대역 압전 에너지 하베스터의 제 2질량체(500)의 변위는 아래 수학식 1과 같이 뒤아멜의 적분으로 표현할 수 있다.Referring to FIG. 4, the displacement of the second
수학식 1의 
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제2 질량체(500)에 변위가 발생함에 따라 압전 외팔보(400)의 표면에는 응력이 가해지며 압전 외팔보(400)는 변형을 일으킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as the displacement occurs in the second
이로 인해 발생되는 전압은 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.The resulting voltage can be expressed as: < EMI ID = 2.0 >
수학식 2에서 
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 입력 가속도와 출력 전압의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.5 is a graph illustrating a relationship between an input acceleration and an output voltage of a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터에서 1 g의 진동을 17 Hz의 주파수로 가진 하였을 때 약 7. 35 V의 peak to peak 전압이 출력될 수 있으며. 이때의 출력 주파수는 375 Hz일 수 있다.Referring to FIG. 5, when a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention excites 1 g of vibration at a frequency of 17 Hz, a peak-to-peak voltage of about 7.35 V can be output. The output frequency at this time may be 375 Hz.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 가속도별 입력 주파수에 따른 출력 전압에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a graph illustrating an output voltage according to an input frequency according to an acceleration of a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 6을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터에서 제1 질량체와 스토퍼의 간격이 0.5 mm인 경우에 가속도의 크기를 0.3 g, 0.5 g, 0.7 g, 1 g 로 증가시키면 동작 주파수의 대역폭은 12 Hz, 14 Hz, 15 Hz, 17 Hz로 증가할 수 있다.Referring to FIG. 6, when the gap between the first mass and the stopper is 0.5 mm in the wideband piezoelectric energy harvester according to the embodiment of the present invention, when the magnitude of the acceleration is increased to 0.3 g, 0.5 g, 0.7 g, and 1 g, The bandwidth of the frequency can be increased to 12 Hz, 14 Hz, 15 Hz, 17 Hz.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 제1 질량체와 스토퍼 사이의 간격과 입력 주파수에 따른 출력 전압의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a graph illustrating a relationship between a gap between a first mass body and a stopper of a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention and an output voltage according to an input frequency.
도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터에서 제1 질량체와 스토퍼의 간격을 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm로 증가시키면, 동작 주파수의 대역폭은 17 Hz, 11 Hz, 9 Hz로 감소할 수 있다.Referring to FIG. 7, in the broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention, when the distance between the first mass and the stopper is increased to 0.5 mm, 1 mm, and 1.5 mm, the bandwidth of the operating frequency is 17 Hz, Hz. ≪ / RTI >
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터의 부하 저항에 따른 출력 전압과 최대 전력의 관계에 대한 그래프를 나타낸 도면이다.8 is a graph illustrating a relation between an output voltage and a maximum power according to a load resistance of a wideband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역 압전 에너지 하베스터에서 제1 질량체(200)와 스토퍼(300)의 간격을 0.5 mm로 유지하고 17 Hz의 주파수로 가진하면 1 g의 가속도에서 최적 부하저항 30 kΩ에서 449 μW의 피크전력을 전달할 수 있다.Referring to FIG. 8, in a broadband piezoelectric energy harvester according to an embodiment of the present invention, an interval between the first
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention are also within the scope of the present invention.
100 : 고정 외팔보 200 : 제1 질량체
300 : 스토퍼 400 : 압전 외팔보
500 : 제2 질량체 600 : 고정단100: fixed cantilever beam 200: first mass body
300: Stopper 400: Piezoelectric cantilever
500: Second mass body 600: Fixed end
Claims (10)
고정 외팔보의 고정되지 아니한 탄성부재의 끝 단에 연결되는 제1 질량체;
상기 제1 질량체와 충돌하여 충격을 발생하는 스토퍼;
상기 제1 질량체가 한 쪽 끝 단에 고정된 탄성부재를 포함하는 압전 외팔보; 및
상기 압전 외팔보의 고정되지 아니한 탄성부재의 끝 단에 연결되는 제2 질량체를 포함하고,
상기 제1 질량체가 스토퍼를 가격하여 발생한 충격을 상기 압전 외팔보 및 제2 질량체에 전달하여 전기에너지를 발생하는 광대역 압전 에너지 하베스터.A fixed cantilever including an elastic member fixed at one end thereof;
A first mass connected to an end of an unfixed elastic member of the fixed cantilever;
A stopper that collides with the first mass body to generate an impact;
A piezoelectric cantilever having an elastic member fixed to one end of the first mass body; And
And a second mass connected to the end of the non-fixed elastic member of the piezoelectric cantilever,
Wherein the first mass body transmits an impact generated by the stopper to the piezoelectric cantilever and the second mass body to generate electric energy.
한쪽 단이 고정단에 연결되어 고정되어 있으며, 제1 질량체가 연결된 반대쪽 끝 단은 고정되지 않은 자유단인 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The stationary cantilever according to claim 1,
Wherein one end is connected to the fixed end and is fixed and the opposite end to which the first mass is connected is a free end which is not fixed.
상기 고정 외팔보에 포함된 탄성부재가 고유 공진 주파수가 낮으며 진동 시 변위가 큰 특성을 가진 폴리머 계열의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The stationary cantilever according to claim 1,
Wherein the elastic member included in the fixed cantilever beam is made of a polymer-based material having a low specific resonance frequency and a large displacement at the time of vibration.
육면체 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
And has a hexahedral shape.
상기 제1 질량체가 상기 스토퍼와 충돌하여 충격이 발생하면 입력주파수보다 상향된 출력 주파수로 변환되며, 상기 상향된 출력 주파수는 상기 압전 외팔보의 고유 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein when the first mass body collides with the stopper to generate an impact, the output frequency is converted to an output frequency higher than the input frequency, and the upward output frequency is the same as the resonance frequency of the piezoelectric cantilever.
상기 전기 에너지에 의한 출력 전압은 충돌 가속도가 클수록 더 높아지는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 5,
Wherein the output voltage of the electric energy is higher as the collision acceleration is larger.
상기 전기 에너지에 의한 출력 대역폭은 충돌 가속도가 클수록 더 넓어지는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 5,
Wherein the output bandwidth by the electrical energy is wider as the collision acceleration is greater.
상기 전기 에너지에 의한 출력 대역폭은 상기 제1 질량체와 상기 스토퍼의 간격이 작을수록 더 넓어지는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 5,
Wherein the output bandwidth by the electrical energy is wider as the gap between the first mass body and the stopper is smaller.
40 Hz 이하의 주파수에서도 동작이 가능한 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric vibrator is operable at a frequency of 40 Hz or less.
진동이 발생할 수 있는 장치 및 구조물에 설치하여 전기 에너지를 하베스팅하는 것을 특징으로 하는 광대역 압전 에너지 하베스터.
The method of claim 1, wherein
Wherein the vibrator is mounted on a device and a structure capable of vibrating to harvest electric energy.
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|---|---|---|---|
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| KR (1) | KR101713798B1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107947636A (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-20 | 南京邮电大学 | Sextuple piezoelectric type energy collector and preparation method thereof |
| KR101921416B1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-11-22 | 한국세라믹기술원 | Piezoelectric energy harvestor using broad band width |
| CN113852295A (en) * | 2021-08-29 | 2021-12-28 | 北京工业大学 | Multimode collision low-frequency piezoelectric energy harvester |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Jeong. S. et al, Broadband Piezoelectric Energy Harvester Using 'ㄷ'shaped Cntilever Beam, 한국소음진동공학회 2015년 추계학술대회논문집 282-284 * |
| Kim. G., Broadband Piezoelectric Vibration Energy Harvester Using Pole-Zero Cancellation Technique, 한국소음진동공학회논문집 제24권 제2호 pp.87-92, 2014 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101921416B1 (en) * | 2017-04-04 | 2018-11-22 | 한국세라믹기술원 | Piezoelectric energy harvestor using broad band width |
| CN107947636A (en) * | 2017-12-27 | 2018-04-20 | 南京邮电大学 | Sextuple piezoelectric type energy collector and preparation method thereof |
| CN107947636B (en) * | 2017-12-27 | 2024-01-19 | 南京邮电大学 | Six-dimensional piezoelectric energy collector and manufacturing method thereof |
| CN113852295A (en) * | 2021-08-29 | 2021-12-28 | 北京工业大学 | Multimode collision low-frequency piezoelectric energy harvester |
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