KR101729664B1 - 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법 - Google Patents

압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법 Download PDF

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유홍희
정신우
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한양대학교 산학협력단
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    • 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

Abstract

일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 일단은 고정되고 타단은 외력에 의해 진동될 수 있는 외팔보; 상기 외팔보 상에 장착되어, 상기 외팔보의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전체; 상기 외팔보 상에 장착되는 질량체; 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성을 해석하기 위해 상기 질량체의 위치 정보가 입력되는 입력부; 및 상기 입력부에 입력된 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 해석부;를 포함할 수 있다.

Description

압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법{PIEZOELECTRIC ENERGY HARVETING SYSTEM AND METHOD FOR ANALYSING CHARACTERISTIC OF THE SAME}
본 발명은 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질량체의 최적 위치를 결정하여, 2차 고유 진동수를 1차 고유 진동수에 근접하게 낮출 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 관한 것이다.
때로 전원을 필요로 하는 장치가 기존의 전원 공급 방법, 예를 들어 전지로 전원을 공급 받기에 어려운 위치에 있을 수 있다.
예를 들어, 교량의 구조 건전성을 모니터링하기 위해 여러 센서들이 교량에 부착되어 있을 수 있다. 이 센서들은 전자기기이므로 당연히 전원을 필요로 할 수 있다. 하지만 교량의 높은 곳에 설치되어 있는 센서들에 전원을 공급하고 전원 공급장치를 관리하기에 어려움이 있을 수 있다.
이때, 압전 에너지 하베스팅 시스템을 사용하면 자가 전원 공급이 가능해질 수 있다.
예를 들어, 교량 센서에 압전 에너지 하베스팅 시스템이 적용될 경우, 교량의 진동에 의해 압전 에너지 하베스팅 시스템이 발전을 할 수 있고, 압전 에너지 하베스팅 시스템에서 발전된 에너지를 센서에 공급할 수 있다.
일반적으로 압전 에너지 하베스팅 시스템은 보통 외팔보의 형태를 갖고 있으며 주구조물(Host structure)에 부착되어 그것과 함께 진동할 수 있다. 이때, 진동으로 인한 외팔보의 변형은 압전체 내부에 전위차를 발생시키고 그 전위차는 곧 발전량과 직결될 수 있다. 따라서 압전 에너지 하베스팅 시스템의 발전량을 높이기 위해서 압전 에너지 하베스팅 시스템을 공진시키는 방법이 많이 쓰이고 있다.
이때, 압전 에너지 하베스팅 시스템이 공진하기 위해서는 압전 에너지 하베스팅 시스템의 고유 진동수와 주구조물의 운동 주파수가 일치해야 한다. 이를 위해 가장 흔히 쓰이는 방법은 외팔보의 끝단에 질량체을 부착하여 압전 에너지 하베스팅 시스템의 1차 고유 진동수를 주구조물의 진동 주파수와 일치시키는 것이다. 하지만 주구조물의 진동 주파수가 압전 에너지 하베스팅 시스템의 고유 진동수와 조금이라도 달라지면 압전 에너지 하베스팅 시스템의 발전량이 현저히 줄어든다는 단점을 갖는다.
또한, 일상 속의 진동하는 시스템(Fan belt case, HVAC duct, Compressor, Pipe, Water pump 등)들은 보통 0 내지 200Hz의 주파수를 주된 성분으로 갖고 있다. 또한, 주된 주파수보다는 진폭이 작은 다른 주파수를 갖는 진동 성분들이 시시때때로 나타났다가 사라지며 때때로 주된 주파수의 위치가 바뀌기도 한다.
그런데 기존의 외팔보 형태의 압전 에너지 하베스팅 시스템은 1차 고유진동수에 대한 공진만을 이용하도록 설계되어 있기 때문에 수시로 변하는 주변 진동계의 특성에 적합하지 않을 수 있다.
따라서 다양한 성분의 주파수를 갖는 입력에 대해서 골고루 반응하는 광대역 압전 에너지 하베스팅 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있다.
예를 들어, 2011년 4월 15일에 출원된 KR2011-0035358에서는 '압전소자와 전자기 유도를 이용한 광대역형 에너지 하베스팅'에 대하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 2차 고유 진동수를 1차 고유 진동수에 근접하게 낮출 수 있어, 입력 주파수가 압전 에너지 하베스팅 시스템의 1차 고유 진동수보다 큰 상황에서도 일정 전력 이상의 발전을 할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 동역학적 및 전기적 특성이 해석 가능한 운동방정식을 적용하여, 질량체의 최적 위치를 결정할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 사용 환경에 맞추어 질량체의 장착 위치를 용이하게 변경할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 최적 설계를 통하여 압전 에너지 하베스팅 시스템의 부피를 줄이고 전력을 늘릴 수 있으며 광대역화할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 교량 센서에 전원 공급, 스마트폰 충전 또는 웨어러블 기기에 전원 공급할 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은, 일단은 고정되고 타단은 외력에 의해 진동될 수 있는 외팔보; 상기 외팔보 상에 장착되어, 상기 외팔보의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전체; 상기 외팔보 상에 장착되는 질량체; 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성을 해석하기 위해 상기 질량체의 위치 정보가 입력되는 입력부; 및 상기 입력부에 입력된 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 해석부;를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 동역학적 특성은 변위, 가속도 또는 진동수를 포함하고, 상기 전기적 특성은 전력 또는 전압을 포함하며, 상기 입력된 질량체의 위치 정보에 따라 상기 동역학적 특성 및 상기 전기적 특성이 변화될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 해석부에서는,
Figure 112015065755941-pat00001
인 운동 방정식에 의해 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석되고,
이때,
mij는 상기 질량체가 고려된 질량행렬의 i행 j열 성분이고,
q는 일반좌표이고,
kij는 강성행렬의 i행 j열 성분이고,
Figure 112015065755941-pat00002
는 외팔보의 고정된 일단에서의 가속도이고,
Qi 는 관성력을 결정하는 계수이고,
Pi는 전기-기계 연성 계수이고,
V는 압전체에서 발생된 전압이고,
CP는 전기 용량이고,
R: 부하 저항일 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 운동 방정식에서,
Figure 112015065755941-pat00003
Figure 112015065755941-pat00004
Figure 112015065755941-pat00005
Figure 112015065755941-pat00006
Figure 112015065755941-pat00007
이고,
이때,
ρ는 외팔보의 선밀도이고,
L은 외팔보의 길이
LC는 외팔보의 일단에서 질량체까지의 거리이고,
Ф는 모드 함수이고,
mc는 질량체의 질량이고,
ES, EP는 외팔보와 압전체의 탄성계수이고
IS, IP는 외팔보와 압전체의 면적관성모멘트이고,
e31은 압전 커플링 계수이고,
b는 외팔보의 폭이고,
hp, hs는 외팔보와 압전체의 두께이고,
e33은 압전 유전율일 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 질량체는 상기 외팔보에 탈부착이 용이하도록 자석으로 마련되고, 상기 외팔보의 일단에 인접하게 장착될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 압전체는 상기 외팔보의 일면 또는 양면에 장착되고, 상기 질량체는 상기 압전체 및 상기 외팔보의 두께 합계의 절반인 위치에 장착될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 외팔보 또는 상기 압전체는 복수 개로 마련되고, 상기 복수 개의 외팔보가 서로 교차하도록 배치되거나, 상기 외팔보 상에 복수 개의 압전체가 서로 다른 두께를 구비하여 장착될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법은, 외팔보 및 상기 외팔보 상에 장착된 압전체를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 시스템이 제공되는 단계; 상기 외팔보 상에 장착될 질량체의 위치 정보가 입력되는 단계; 상기 외팔보가 진동되는 단계; 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계;를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계에서, 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 특성은 변위, 가속도 또는 진동수를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 전기적 특성은 전력 또는 전압을 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 질량체의 질량 또는 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계 이후에, 상기 외팔보의 1차 고유 진동수 및 2차 고유 진동수가 근접하게 되는 상기 질량체의 장착 위치가 결정되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 의하면, 2차 고유 진동수를 1차 고유 진동수에 근접하게 낮출 수 있어, 입력 주파수가 압전 에너지 하베스팅 시스템의 1차 고유 진동수보다 큰 상황에서도 일정 전력 이상의 발전을 할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 의하면, 동역학적 및 전기적 특성이 해석 가능한 운동방정식을 적용하여, 질량체의 최적 위치를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 의하면, 사용 환경에 맞추어 질량체의 장착 위치를 용이하게 변경할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 의하면, 최적 설계를 통하여 압전 에너지 하베스팅 시스템의 부피를 줄이고 전력을 늘릴 수 있으며 광대역화할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 의하면, 교량 센서에 전원 공급, 스마트폰 충전 또는 웨어러블 기기에 전원 공급할 수 있다.
도 1(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 주파수에 따른 발전량을 도시하는 그래프이다.
도 4는 초기 설계 및 최적 설계에서 주파수에 따른 발전량을 도시하는 그래프이다.
도 5는 부하 저항의 변화에 따른 주파수와 발전량 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 질량체의 위치 정보에 따른 고유 진동수의 비교를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1(a) 및 (b)는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템을 도시한다.
우선, 도 1(a)는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 기계적 구성을 도시하고, 도 1(b)는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 전기적 구성을 도시한다.
도 1(a) 및 (b)을 참조하여, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)은 외팔보(100), 압전체(200), 질량체(300), 입력부(미도시) 및 해석부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 외팔보(100)는 일단은 고정되고 타단은 외력에 의해 진동될 수 있다.
예를 들어, 외팔보(100)는 금속 재질, 사각 플레이트 형상으로 마련될 수 있으며, 외팔보(100)의 고정된 일단은 고정단(102)이라 하고, 외팔보(100)의 타단은 자유단(104)이라 할 수 있다.
구체적으로, 외팔보(100)는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질로 마련될 수 있다. 따라서, 외팔보(100)에 타격이 가해지는 경우 외팔보(100)는 압축되는 방향으로 변형될 수 있으며, 외력이 없어지는 경우 다시 원래의 상태로 복귀할 수 있다. 또한 내구성이 강하여 변형 발생을 최소화할 수 있다. 그러나, 외팔보(100)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
전술된 외팔보(100)의 일면 또는 양면에는 압전체(200)가 장착될 수 있다.
상기 압전체(200)는 발전량이 우수한 세라믹(ceramic) 압전소자를 비롯하여 물리적 유연성이 뛰어나 폴리머(polymer)나 폴리머와 세라믹이 혼합된 하이브리드 압전소자가 사용될 수 있다. 따라서 뛰어난 물리적 유연성으로 인해 내구성을 가지며 이에 따라 발전에 용이하다.
또한, 압전체(200)의 압전소자 종류로는 PVDF의 사용이 기본적이고, 바륨 티타네이트, PZT 결정 또는 PZT 섬유를 포함할 수 있다. 그 외에 NKN계, BZT-BCT계, BNT계, BSNN, BNBN계 등의 무연(Lead-free) 압전소재, PLZT, P(VDF-TrFE), 수정, 전기석, 로셸염, 티탄산바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등을 사용할 수 있다.
다만, 압전체(200)의 종류 및 재질이 이에 한정되는 것은 아니며, 외력에 의해 충분한 발전량을 발생시킬 수 있다면 다른 재질 등이 사용될 수 있음은 당연하다.
또한, 압전체(200)는 외팔보(100)의 상면, 하면 또는 양면에 장착될 수 있다. 다시 말해, 외팔보(100)에 외력이 가해지는 경우 압전체(200)가 변형될 수 있다면 어느 곳이든지 장착될 수 있다.
예를 들어, 압전체(200)가 외팔보(100)의 양면에 장착되는 경우, 양면에 장착된 압전체(200)의 두께는 동일할 수 있고, 외팔보(100)의 두께가 압전체(200)의 두께보다 크게 마련될 수 있다.
또한, 외팔보(100) 또는 압전체(200)는 복수 개로 마련될 수 있다.
예를 들어, 복수 개의 외팔보(100)는 서로 교차하도록 배치될 수 있으며, 이때 외팔보(100)의 일면에 장착된 압전체(200) 또한 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
또는, 하나의 외팔보(100) 상에 복수 개의 압전체(200)가 장착될 수 있으며, 이때, 복수 개의 압전체(200)는 서로 다른 두께를 구비할 수 있다.
이와 같이, 외팔보(100) 및 압전체(200)는 다양하게 배치될 수 있다.
전술된 압전체(200)의 양면에는 전극(202)이 구비될 수 있다.
구체적으로, 외팔보(100)의 양면에 압전체(200)가 장착되는 경우, 각각의 압전체(200)의 양면에는 전극(202)이 구비되어, 압전체(200)에서 발생된 전기가 전극을 통하여 흐를 수 있다.
이때, 압전체(200) 및 전극(202)이 외팔보(100)의 양면에 겹치도록 마련되어, 외팔보(100)에서 진동이 발생되는 경우, 압전체(200) 및 전극(202)에서 상기 진동에 의하여 효율적으로 전기를 수확할 수 있다.
또한, 외팔보(100)에는 질량체(300)가 장착될 수 있다.
상기 질량체(300)는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)에 추가적인 질량을 제공할 수 있다.
상기 질량체(300)는 예를 들어 자석으로 마련되어, 외팔보(100) 상에 탈부착될 수 있다.
상기 질량체(300)는 일정한 질량 및 부피를 구비하여, 외팔보(100) 상에 장착될 수 있다.
상기 질량체(300)는 외팔보(100)의 일단, 예를 들어 고정단에 인접하게 장착될 수 있다. 예를 들어, 질량체(300)는 복수 개로 마련되어, 복수 개의 질량체(300)가 외팔보(100)의 폭 방향으로 서로 대칭되게 양쪽에 장착될 수 있다.
또한, 질량체(300)는 외팔보(100) 및 압전체(200)의 두께 합계의 절반인 위치에 장착될 수 있다.
다시 말해서 질량체(300)는 외팔보(100) 및 압전체(200)의 두께 방향으로 중앙에 장착될 수 있다. 따라서, 외팔보(100)의 상면에 압전체(200)가 장착된 경우와, 외팔보(100)의 양면에 압전체가 장착된 경우, 질량체(300)가 장착되는 위치가 다르게 될 수 있다.
상기 질량체(300)는 외팔보(100)에서 발생된 진동을 보다 증폭시키거나, 외팔보(100)의 고유진동수를 크게 수 있다.
따라서, 외팔보(100)에 장착되는 질량체(300)의 질량 또는 장착 위치에 따라서 압전체(200)에서 발생된 전력 또는 전압이 변화될 수 있고, 외팔보(100) 상에 최적의 위치에 질량체(300)가 장착됨으로써 상당히 큰 발전량을 수확할 수 있다.
상기 외팔보(100) 상에 장착되는 질량체(300)의 최적의 위치는 시뮬레이션을 통해 미리 결정될 수 있다.
이를 위해 구체적으로 도시되지는 않았으나, 입력부 및 해석부가 외팔보(100), 압전체(200) 및 질량체(300)에 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 입력부에는 외팔보(100)의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성을 해석하기 위해 질량체(300)의 위치 정보 또는 질량이 입력될 수 있다.
상기 외팔보(100)의 진동에 의한 동역학적 특성은 외팔보(100)의 변위, 가속도 또는 진동수 등을 포함할 수 있으며, 전기적 특성은 발전량, 전력 또는 전압을 포함할 수 있다.
예를 들어, 외팔보(100)에 질량체(300)를 장착하기 전, 입력부에 미리 질량체(300)의 장착 위치 또는 질량을 입력함으로써, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 동역학적 및 전기적 특성을 해석할 수 있다.
그러나, 입력부에 입력되는 정보는 질량체(300)의 위치 정보 또는 질량에 국한되지 아니하며, 일 실시에에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 특성을 해석할 수 있는 인자가 될 수 있는 것이라면 어느 것이든지 가능하다.
상기 해석부에서는 입력부에 입력된 질량체(300)의 위치 정보 또는 질량이 반영된 외팔보(100)의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석될 수 있다.
우선, 외팔보(100)가 오일러-베르누이 보 이론을 따른다고 가정한 후, 전단, 비틀림, 외팔보의 회전 관성은 무시된다.
이러한 가정 하에서, 해석부에서는 다음과 같은 운동 방정식에 의해 해석될 수 있다.
Figure 112015065755941-pat00008
이때,
Figure 112015065755941-pat00009
이고,
Figure 112015065755941-pat00010
이고,
Figure 112015065755941-pat00011
이고,
Figure 112015065755941-pat00012
이고,
Figure 112015065755941-pat00013
이다.
또한,
mij는 상기 질량체가 고려된 질량행렬의 i행 j열 성분이고,
q는 일반좌표이고,
kij는 강성행렬의 i행 j열 성분이고,
Figure 112015065755941-pat00014
는 외팔보의 고정된 일단에서의
Figure 112015065755941-pat00015
방향으로 가속도이고,
Qi 는 관성력을 결정하는 계수이고,
Pi는 전기-기계 연성 계수이고,
V는 압전체에서 발생된 전압이고,
CP는 전기 용량이고,
R: 부하 저항이고,
ρ는 외팔보의 선밀도이고,
L은 외팔보의 길이
LC는 외팔보의 일단에서 질량체까지의 거리이고,
Ф는 모드 함수이고,
mc는 질량체의 질량이고,
ES, EP는 외팔보와 압전체의 탄성계수이고
IS, IP는 외팔보와 압전체의 면적관성모멘트이고,
e31은 압전 커플링 계수이고,
b는 외팔보의 폭이고,
hp, hs는 외팔보와 압전체의 두께이고,
e33은 압전 유전율이다.
상기 운동 방정식에는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 동역학적(또는 기계적) 특성을 나타내는 인자와 전기적 특성을 나타내는 인자가 포함되어 있으며, 동역학적 특성과 전기적 특성을 연결하는 인자, 예를 들어 전기-기계 연성 계수가 포함되어 있다.
다시 말해서, 해석부에서는 질량체(300)의 장착 위치 또는 질량 정보에 따른 압전체(200)에서 발생되는 전력 또는 전압이 획득될 수 있다.
또한, 역으로, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)을 통하여 획득해야 할 전력 또는 전압을 입력함으로써 질량체(300)가 외팔보(110)에 장착되어야 하는 위치가 획득될 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 방법에 대하여 설명된다.
도 2는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템으로부터 최대 전력을 획득할 수 있다.
우선, 외팔보 및 상기 외팔보 상에 장착된 압전체를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 시스템이 제공된다(S10).
이때, 외팔보는 외력에 의하여 진동 가능하며, 상기 진동에 의하여 발생된 전기를 압전체를 통하여 수확할 수 있다.
이어서, 상기 외팔보 상에 장착될 질량체의 위치 정보가 입력된다(S20).
예를 들어, 입력부에 질량체의 위치 정보가 입력될 수 있다. 그러나, 입력부에는 질량체의 위치 정보뿐만 아니라, 질량체의 부피, 질량 등과 같이 질량체에 대한 다양한 정보가 입력될 수 있다.
그런 다음, 상기 외팔보가 진동된다(S30).
구체적으로 외팔보의 자유단에 외력을 인가함으로써 외팔보가 진동될 수 있다. 또한, 외팔보를 타격하는 별도의 타격 부재가 구비되어, 타격 부재에 외력을 가함으로써 타격 부재가 외팔보를 진동시키게 할 수 있다.
이후, 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석된다(S40).
구체적으로, 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 운동 방정식을 통하여 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석될 수 있다.
이때, 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 특성은 변위, 가속도 또는 진동수를 포함할 수 있고, 압전 에너지 하베스팅 시스템의 전기적 특성은 전력 또는 전압을 포함할 수 있다.
다시 말해서 전술된 운동 방정식을 통하여 질량체의 위치 정보에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성을 해석할 수 있다.
이를 통하여, 마지막으로, 상기 외팔보의 1차 고유 진동수 및 2차 고유 진동수가 근접하게 되는 질량체의 장착 위치가 결정된다(S50).
이때, 외팔보의 1차 고유 진동수와 2차 고유 진동수가 근접하게 되는 질량체의 장착 위치가 곧 질량체의 최적의 장착 위치가 될 수 있다.
또한, 질량체의 최적의 장착 위치에서 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템은 광대역화될 수 있으며, 최대 전력을 획득할 수 있다.
이와 같이 동역학적 및 전기적 특성이 해석 가능한 운동방정식을 적용하여, 질량체의 최적 위치를 결정할 수 있으며, 사용 환경에 맞추어 질량체의 위치를 용이하게 변경할 수 있다. 그리고, 1차 고유 진동수를 1차 고유 진동수에 근접하게 낮출 수 있어, 입력 주파수가 압전 에너지 하베스팅 시스템의 1차 고유 진동수보다 큰 상황에서도 일정 전력 이상의 발전을 할 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템 및 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법의 효과를 입증하는 실험 데이터에 대하여 설명된다.
도 3은 주파수에 따른 발전량을 도시하는 그래프이고, 도 4는 초기 설계 및 최적 설계에서 주파수에 따른 발전량을 도시하는 그래프이고, 도 5는 부하 저항의 변화에 따른 주파수와 발전량 사이의 관계를 도시하는 그래프이고, 도 6은 질량체의 위치 정보에 따른 고유 진동수의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하여, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)을 사용하는 경우와 기존의 압전 에너지 하베스팅 시스템을 사용하는 경우를 비교할 수 있다.
우선, 운동 조건으로는 가속도의 진폭 A는 2.5m/s2이며 주파수 범위는 0-110Hz로 설정된다.
일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)에 대한 구체적인 값은 다음과 같다.
기호 의미(단위) 값
L 외팔보의 길이(mm) 55
LC 질량체의 위치(mm) 15
hs 외팔보의 두께(mm) 0.1
hp 압전체의 두께(mm) 0.1
ES 외팔보의 탄성계수(GPa) 100
EP 압전체의 탄성계수(GPa) 66
ρs 외팔보의 밀도(kg/m3) 7165
ρp 압전체의 밀도(kg/m3) 7800
mc 질량체의 질량(mg) 20
R 저항(Ω) 1000
이러한 조건에서, 기존의 압전 에너지 하베스팅 시스템의 경우, 1차 고유 진동수 근방에서 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)에 비하여 더 큰 발전량을 수확할 수 있는 것으로 확인되었으나, 그 외의 범위에서는 최대 약 1000배만큼 작은 전기 발전량을 수확하는 것으로 확인되었다.
또한, 예를 들어 오일러-베르누이 보 이론을 따르는 외팔보의 운동방정식과 케인의 방법을 이용하여 운동 방정식을 유도함으로써, 질량체(300)의 장착 위치에 대한 수치 해석을 통하여 질량체(300)가 특정 위치에 장착되면 외팔보(100)의 1차 고유 진동수와 2차 고유 진동수가 근접하게 될 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 50Hz 근방에서 1차 고유 진동수가 형성되고, 120Hz 근방에서 2차 고유 진동수가 형성되며, 2차 고유 진동수에서 또한 매우 큰 출력 또는 발전량을 보인다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4를 참조하여, 0-200Hz 주파수 범위에서 골고루 일정 전력 이상의 발전량을 획득할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 입력되는 운동의 가속도는 2.5m/s2 그리고 주파수의 범위는 0-200Hz로 가정한다. 그리고 L, LC, HP, HS, b, R, mc로 설정된다. 이때, 목적 함수는 200Hz의 주파수 범위를 1000개 지점으로 분할한 뒤 각 주파수 점에 대한 발전량들의 합으로 결정한다. 이는 0-200Hz 범위에서의 발전량을 골고루 향상시킬 수 있는 설계 변수를 찾기 위함이다.
그 결과, 외팔보(100)에 질량체(300)를 장착함으로써, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 광대역화를 실현시킬 수 있고, 압전체의 부피를 줄이면서 발전량 또는 전력은 최대화함으로써 최적 설계를 수행할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하여, 부하 저항에 따라서 주파수와 발전량 사이의 관계가 변화될 수 있다.
특히, 부하 저항이 105, 106 근방인 경우, 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)에서 최대 전력이 수확될 수 있다.
이와 같이, 부하 저항 또한 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅 시스템(10)의 최적 설계에 설계 변수로서 작용할 수 있고, 입력부에 부하 저항을 달리 입력함으로써 해석부에서는 다른 해석 결과가 도출될 수 있다.
또한, 도 6을 참조하여, 질량체의 장착 위치에 따라서 해석한 결과, 본 발명을 통한 해석과 FEM 해석 방법의 결과가 일치함을 할 수 있다.
이때, 1차 고유 진동수와 2차 고유 진동수가 가장 근접하게 되는 지점이 0.025m 근방이며, 질량체를 그 지점에 장착할 경우, 최대 전력을 획득할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 압전 에너지 하베스팅 시스템
100: 외팔보
102: 고정단
104: 자유단
200: 압전체
300: 질량체

Claims (10)

  1. 일단은 고정되고 타단은 외력에 의해 진동될 수 있는 외팔보;
    상기 외팔보 상에 장착되어, 상기 외팔보의 진동에 의해 전기를 발생시키는 압전체;
    상기 외팔보 상에 장착되는 질량체;
    상기 외팔보, 상기 압전체 및 상기 질량체에 연결되어, 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성을 해석하기 위해 상기 질량체의 위치 정보가 입력되는 입력부; 및
    상기 외팔보, 상기 압전체 및 상기 질량체에 연결되어, 상기 입력부에 입력된 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 해석부;
    를 포함하고,
    상기 동역학적 특성은 변위, 가속도 또는 진동수를 포함하고, 상기 전기적 특성은 전력 또는 전압을 포함하며,
    상기 입력된 질량체의 위치 정보에 따라 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 상기 전기적 특성이 변화되고,
    상기 해석부에서는,
    Figure 112016105942721-pat00029

    인 운동 방정식에 의해 상기 외팔보의 진동에 의한 동역학적 및 전기적 특성이 해석되고,
    이때,
    mij는 상기 질량체가 고려된 질량행렬의 i행 j열 성분이고,
    q는 일반좌표이고,
    kij는 강성행렬의 i행 j열 성분이고,
    Figure 112016105942721-pat00030
    는 외팔보의 고정된 일단에서의 가속도이고,
    Qi 는 관성력을 결정하는 계수이고,
    Pi는 전기-기계 연성 계수이고,
    V는 압전체에서 발생된 전압이고,
    CP는 전기 용량이고,
    R은 부하 저항인 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운동 방정식에서,
    Figure 112016105942721-pat00018

    Figure 112016105942721-pat00019

    Figure 112016105942721-pat00020

    Figure 112016105942721-pat00021

    Figure 112016105942721-pat00022
    이고,
    이때,
    ρ는 외팔보의 선밀도이고,
    L은 외팔보의 길이
    LC는 외팔보의 일단에서 질량체까지의 거리이고,
    Ф는 모드 함수이고,
    mc는 질량체의 질량이고,
    ES, EP는 외팔보와 압전체의 탄성계수이고
    IS, IP는 외팔보와 압전체의 면적관성모멘트이고,
    e31은 압전 커플링 계수이고,
    b는 외팔보의 폭이고,
    hp, hs는 외팔보와 압전체의 두께이고,
    e33은 압전 유전율인 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 질량체는 상기 외팔보에 탈부착이 용이하도록 자석으로 마련되고,
    상기 외팔보의 일단에 인접하게 장착되는 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전체는 상기 외팔보의 일면 또는 양면에 장착되고, 상기 질량체는 상기 압전체 및 상기 외팔보의 두께 합계의 절반인 위치에 장착되는 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외팔보 또는 상기 압전체는 복수 개로 마련되고,
    상기 복수 개의 외팔보가 서로 교차하도록 배치되거나, 상기 외팔보 상에 복수 개의 압전체가 서로 다른 두께를 구비하여 장착될 수 있는 압전 에너지 하베스팅 시스템.
  8. 외팔보 및 상기 외팔보 상에 장착된 압전체를 포함하는 압전 에너지 하베스팅 시스템이 제공되는 단계;
    상기 외팔보 및 상기 압전체에 연결된 입력부에 의해 상기 외팔보 상에 장착될 질량체의 위치 정보가 입력되는 단계;
    상기 외팔보가 진동되는 단계;
    상기 외팔보 및 상기 압전체에 연결된 해석부에 의해 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 외팔보 및 상기 압전체에 연결된 해석부에 의해 상기 질량체의 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계에서,
    상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 특성은 변위, 가속도 또는 진동수를 포함하고, 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 전기적 특성은 전력 또는 전압을 포함하며,
    상기 해석부에서는,
    Figure 112016105942721-pat00031

    인 운동 방정식에 의해 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 특정 및 전기적 특성이 해석되고,
    이때,
    mij는 상기 질량체가 고려된 질량행렬의 i행 j열 성분이고,
    q는 일반좌표이고,
    kij는 강성행렬의 i행 j열 성분이고,
    Figure 112016105942721-pat00032
    는 외팔보의 고정된 일단에서의 가속도이고,
    Qi 는 관성력을 결정하는 계수이고,
    Pi는 전기-기계 연성 계수이고,
    V는 압전체에서 발생된 전압이고,
    CP는 전기 용량이고,
    R은 부하 저항인 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 질량체의 질량 또는 위치 정보가 반영된 상기 압전 에너지 하베스팅 시스템의 동역학적 및 전기적 특성이 해석되는 단계 이후에,
    상기 외팔보의 1차 고유 진동수 및 2차 고유 진동수가 근접하게 되는 상기 질량체의 장착 위치가 결정되는 단계를 더 포함하는 압전 에너지 하베스팅 시스템의 특성 해석 방법.
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