KR102113936B1 - 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법, 회로 및 장치 - Google Patents

마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법, 회로 및 장치 Download PDF

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Abstract

마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법과 관리 회로, 및 이 관리 회로를 포함하는 장치에 있어서, 상기 에너지 관리 방법은, 에너지 임시 저장 장치에 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 단계(S201); 및 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 에너지 저장 장치로 전송하는 단계(S202)를 포함한다. 상술한 구성을 통해, 에너지 임시 저장 장치를 주기적으로 충방전 시켜 에너지 저장 장치에 대한 충전을 실현하고, 마찰식 나노 발전기와 에너지 저장 장치의 임피던스 매칭을 실현하여, 에너지 저장 효율을 대폭 향상시킴으로써, 마찰식 나노 발전기에서 출력된 교류 전기 에너지를 효율적으로 정전압 직류 전력으로 전환하여 출력할 수 있다.

Description

마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법, 회로 및 장치
본 발명은 나노 발전 분야에 관한 것으로, 특히는 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법과 관리 회로, 및 이 관리 회로를 포함하는 관리 장치에 관한 것이다.
2012년부터, 마찰 전기 효과에 의한 나노 발전기는 빠른 발전을 가져왔는 바, 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하여 전자 디바이스를 구동하는 경우를 대비한 향후 응용 비전이 있는 수단을 제공하였다. 하지만, 종래의 마찰식 나노 발전기는 내부의 임피던스가 높아서, 에너지 저장 유닛과의 임피던스 미스 매칭을 초래하기 아주 쉬웠다. 따라서, 먼저 정류하고 정류 후의 전압을 에너지 저장 유닛에 저장하는 종래의 이런 마찰식 나노 발전기의 에너지 저장 기술 및 에너지 저장 효율은 극히 낮았다. 실험에 의하면 그 에너지 저장 효율은 1% 미만 밖에 되지 않는 바, 대량의 에너지가 공연히 낭비되었다.
상술한 기술적 문제점에 대하여, 종래의 기술로는 이를 해결할 수 있는 수단이 없었다.
본 발명의 실시예에서는 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법과 관리 회로, 및 이 관리 회로를 포함하는 관리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법을 제공하는 바, 상기 에너지 관리 방법은, 에너지 임시 저장 장치에 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 단계; 및 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 에너지 저장 장치로 전송하는 단계, 를 포함한다.
또한, 에너지 임시 저장 장치에 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 단계에서, 상기 마찰식 나노 발전기에서 출력된 교류 전기 에너지를 직류로 전환한 후 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장한다.
또한, 에너지 관리 방법은, DC-DC 컨버터를 사용하여 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하는 단계를 더 포함하며, 상기 DC-DC 컨버터는 비절연형 DC-DC 컨버터 또는 절연형 DC-DC 컨버터이다.
또한, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치, 제1 스위치를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치와 병렬 연결된 제1 인덕턴스, 제2 스위치, 및 제2 스위치를 통해 상기 에너지 저장 장치와 병렬 연결된 제2 인덕턴스를 포함하며; 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스는 상호 인덕턴스를 형성한다.
또한, 에너지 관리 방법은, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하면 상기 에너지 저장 장치로 전기 에너지를 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 에너지 관리 방법은, 상기 에너지 임시 저장 장치가 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하는 과정에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값에 도달하면, 상기 에너지 저장 장치로 전기 에너지를 전송하는 것을 멈추는 단계를 포함한다.
또한, 에너지 관리 방법에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 오프(off) 시키고; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치를 온(on) 시키고; 및 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록, 상기 제1 스위치를 오프 시키고 상기 제2 스위치를 온 시킨다.
또한, 상기 전기 에너지가 상기 제2 인덕턴스로부터 상기 에너지 저장 장치로 전부 전송되면, 상기 제2 스위치를 다시 오프 시킨다.
또한, 상기 제2 소정값의 크기는 상기 제1 소정값 이하이다.
또한, 상기 제1 소정값의 범위는 15V-1000V이다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 1pF-1mF의 커패시터이다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 배터리이며, 제어 회로를 통해 구형파 클럭 신호를 생성하여 상기 제1 스위치 및/또는 상기 제2 스위치의 온 시간을 제어하며; 상기 제어 회로의 출력 신호가 로우 레벨이면, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 오프 시키고; 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨이면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치를 온 시키고; 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨로부터 다시 로우 레벨로 되면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치를 오프 시키고 상기 제2 스위치를 온 시킨다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 적어도 하나의 배터리를 포함하는데, 총 전압은 10V-500V이고, 내부 저항은 1MΩ보다 크지 않으며, 누설전류는 10mA보다 크지 않다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치의 전압은 상기 에너지 저장 장치의 전압의 3-1000배 이다.
또한, 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스의 상호유도계수는 0.5보다 크고, 인덕턴스 값은 모두 10nH이상 이며, 기생 저항은 모두 1MΩ이하 이다.
또한, 상기 에너지 저장 장치는, 내부 저항이 1MΩ이하 이고 누설전류가 100mA이하 인 충전 배터리 또는 커패시터이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로를 제공하는 바, 상기 에너지 관리 회로는, 순차로 상기 마찰식 나노 발전기와 병렬 연결된 제1 회로 및 제2 회로를 포함하며, 상기 제1 회로는 에너지 임시 저장 장치를 포함하고, 상기 제2 회로는 병렬 연결된 DC-DC 컨버터와 에너지 저장 장치를 포함하며, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하도록 배치된다.
또한, 상기 제1 회로는, 상기 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 직류 전력으로 정류하여 상기 에너지 임시 저장 장치로 제공하도록 배치된 정류기를 더 포함한다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는 비절연형 DC-DC 컨버터 또는 절연형 DC-DC 컨버터이다.
또한, 상기 절연형 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치, 제1 스위치를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치와 병렬 연결된 제1 인덕턴스, 제2 스위치, 및 제2 스위치를 통해 상기 에너지 저장 장치와 병렬 연결된 제2 인덕턴스를 포함하는데; 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스는 상호 인덕턴스를 형성한다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하면, 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하도록 배치된다.
또한, 상기 DC-DC 컨버터는, 전기 에너지를 전송하는 과정에서 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값에 도달하면, 상기 에너지 저장 장치로의 전기 에너지의 전송을 멈추도록 배치된다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 오프 되고; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치가 온 되며; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치는 오프 되고 상기 제2 스위치는 온 된다.
또한, 상기 전기 에너지가 상기 제2 인덕턴스로부터 상기 에너지 저장 장치로 전부 전송되면, 상기 제2 스위치는 다시 오프 된다.
또한, 상기 제2 소정값의 크기는 상기 제1 소정값 이하이다.
또한, 상기 제1 소정값의 범위는 15V-1000V이다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 1pF-1mF의 커패시터이다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 배터리이며, 제어 회로를 통해 구형파 클럭 신호를 생성하여 상기 제1 스위치 및/또는 상기 제2 스위치의 온 시간을 제어하며; 상기 제어 회로의 출력 신호가 로우 레벨이면, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 오프되고; 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨이면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치는 온 되고; 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨로부터 다시 로우 레벨로 되면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치는 오프 되고 상기 제2 스위치는 온 된다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치는 적어도 하나의 배터리를 포함하는데, 총 전압은 10V-500V이고, 내부 저항은 1MΩ보다 크지 않으며 누설전류는 10mA보다 크지 않다.
또한, 상기 에너지 임시 저장 장치의 전압은 상기 에너지 저장 장치의 전압의 3-1000 배이다.
또한, 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스의 상호유도계수는 0.5보다 크고, 인덕턴스 값은 10nH이상 이며, 기생 저항은 1MΩ이하 이다.
또한, 상기 에너지 저장 장치는, 내부 저항이 1MΩ이하 이고 누설전류가 100mA이하 인 충전 배터리 또는 커패시터이다.
또한, 상기 제1 스위치와 제2 스위치는 전자 스위치이다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치를 제공하는 바, 상기 에너지 관리 장치는 상술한 에너지 관리 회로를 포함한다.
상술한 구성을 통해, 에너지 임시 저장 장치를 주기적으로 충방전시켜 에너지 저장 장치에 대한 충전을 실현하고, 마찰식 나노 발전기와 에너지 저장 장치의 임피던스 매칭을 실현하여, 에너지 저장 효율을 대폭 향상시킴으로써, 마찰식 나노 발전기에서 출력된 교류 전기 에너지를 효율적으로 정전압 직류 전력으로 전환하여 출력할 수 있다.
본 발명의 기타 특징 및 이점들은 발명의 구체적인 실시예 부분에서 상세히 설명하기로 한다.
첨부 도면은, 본 발명에 대한 더욱 상세한 이해를 돕기 위한 것이며, 명세서의 일부를 구성하는 바, 발명의 구체적인 실시예와 함께 본 발명을 해석하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로의 전형적인 동작 상태 도면이다.
도 4A와 도 4B는 각각 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로의 교류 평균 전력과 부하 저항 사이의 관계도, 및 측정된 전압과 시간 사이의 관계도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치 구성의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치 구성의 블록도이다.
아래, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상세히 설명한다. 여기에서 설명하는 발명의 구체적인 실시예는 본 발명을 설명하고 해석하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법의 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에서는 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 방법을 제공하는 바, 에너지 임시 저장 장치에 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 단계(S201); 및 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 에너지 저장 장치로 전송하는 단계(S202), 를 포함한다.
마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지가 교류 전력일 경우, 에너지 임시 저장 장치에 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하는 단계(S201)에서는, 구체적으로 상기 마찰식 나노 발전기에서 출력된 교류 전기 에너지를 직류로 전환하여 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장한다.
실시예에 있어서, 상기 에너지 관리 방법은, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하면 상기 에너지 저장 장치로 전기 에너지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 에너지 관리 방법은, 상기 에너지 임시 저장 장치가 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하는 과정에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값에 도달하면, 상기 에너지 저장 장치로 전기 에너지를 전송하는 것을 멈추는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 에너지 관리 방법은, DC-DC 컨버터(예를 들면, 비절연형 DC-DC 컨버터 또는 절연형 DC-DC 컨버터)를 이용하여, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하는 단계를 포함하며, 절연형 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치, 제1 스위치를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치와 병렬 연결된 제1 인덕턴스, 제2 스위치, 및 제2 스위치를 통해 상기 에너지 저장 장치와 병렬 연결된 제2 인덕턴스를 포함하는데; 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스는 상호 인덕턴스를 형성한다.
실시예에 있어서, 상기 에너지 관리 방법은, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치를 온 시키고; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치를 오프 시키고 상기 제2 스위치를 온 시킨다. 또한, 전기 에너지가 제2 인덕턴스로부터 상기 에너지 저장 장치로 전부 전송되면, 상기 제2 스위치를 다시 오프시킨다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 모두 오프 시킨다.
본 발명의 실시예에 의한 에너지 관리 방법은, 복수의 주기로 나뉠 수 있는데, 각 주기 내에서는 두 개 단계로 나누어서 관리한다. 첫번째 단계에서, 마찰식 나노 발전기는 정류 회로를 통해 에너지 임시 저장 장치(예를 들면 임시 저장 커패시터(Ctemp))를 충전시킨다. 두번째 단계에서, 임시 저장 커패시터(Ctemp)의 전압이 설정된 값(V1)에 도달하면, 임시 저장 커패시터 내의 에너지를 최종 에너지 저장 장치(C저장)로 전이시키고, 임시 저장 커패시터는 방전되며, 임시 저장 커패시터의 전압이 V2(V2≤V1)에 도달하면, 그 다음의 충전 주기로 진입하는데, 마찰식 나노 발전기는 계속하여 임시 저장 커패시터를 충전시킨 후, 임시 저장 커패시터의 에너지를 계속하여 최종 에너지 저장 장치로 전이시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로의 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로를 제공하는 바, 에너지 관리 회로는 두 개의 회로로 나뉘어 진다. 제1 회로는 에너지 임시 저장 장치를 포함하고, 제2 회로는 임시 저장 커패시터로부터 최종 에너지 저장 장치로의 효율적인 에너지 전송을 실현하기 위한 것이다.
제1 회로와 제2 회로는 순차적으로 상기 마찰식 나노 발전기와 병렬 연결되는데, 상기 제1 회로는 에너지 임시 저장 장치(예를 들면 임시 저장 커패시터(Ctemp))를 포함하고, 상기 제2 회로는 병렬 연결된 DC-DC 컨버터와 에너지 저장 장치를 포함하며(예를 들면 충전 배터리 또는 커패시터(C저장)), 제1 회로는 상기 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 직류 전력으로 정류하여 상기 에너지 임시 저장 장치로 공급하도록 배치된 정류기를 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하도록 배치되는 바, 비절연형 DC-DC 컨버터 또는 절연형 DC-DC 컨버터일 수 있다. 실시예에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하면, 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송한다. 더욱 구체적인 실시예에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는, 전기 에너지를 전송하는 과정에서 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값에 도달하면, 상기 에너지 저장 장치로의 전기 에너지의 전송을 멈추도록 배치된다. 여기서, 상기 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치(J1), 제1 스위치(J1)를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치와 병렬 연결된 제1 인덕턴스(L1), 제2 스위치(J2), 및 제2 스위치(J2)를 통해 상기 에너지 저장 장치와 병렬 연결된 제2 인덕턴스(L2), 를 포함할 수 있는데, 상기 제1 인덕턴스(L1)와 상기 제2 인덕턴스(L2)는 상호 인덕턴스를 형성한다.
실시예에 있어서, 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치(J1)와 상기 제2 스위치(J2)를 오프시켜, 에너지 저장 장치에 대한 빠른 충전을 실현한다. 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하면, 상기 제1 스위치(J1)를 온시켜, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스(L1)로 전송되도록 하며; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 상기 제1 스위치(J1)를 오프시키고 상기 제2 스위치(J2)를 온시켜, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스(L1)로부터 상기 제2 인덕턴스(L2)를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 한다.
실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 마찰식 나노 발전기는 4개의 다이오드(D1-D4)로 구성된 풀 브릿지 정류기를 통해 임시 저장 커패시터(Ctemp)를 충전시키고(예를 들면, 임시 저장 커패시터로서 500nF의 커패시터를 선택할 수 있다), 제2 회로의 DC-DC 컨버터로서 2개의 전자 스위치(J1와 J2) 및 하나의 상호 인덕턴스(예를 들면, 1차 인덕턴스는 인덕턴스(L1)이고, 2차 인덕턴스는 인덕턴스(L2))로 이루어진 구성을 선택할 수 있으며, 이 외에 2개의 전자 스위치(J1와 J2)를 제어하기 위한 제어 회로를 더 가진다.
임시 저장 커패시터의 값의 범위는 1pF-1mF일 수 있다. 최종 에너지 저장 장치로서 충전가능한 배터리(리튬 이온 배터리, 니켈 수소 충전 배터리 등을 포함), 슈퍼 커패시터 및 일반 커패시터(세라믹 커패시터, 전해 커패시터 등을 포함)를 선택할 수 있는데, 그 내부 저항은 1MΩ보다 크지 않으며, 누설전류는 100mA보다 크지 않다.
제1 회로의 정류기는 다이오드에 의한 브릿지형 전파 정류기 또는 브릿지형 반파 정류기를 채용한다.
제2 회로의 DC-DC(직류-직류) 컨버터는 비절연형 DC-DC(직류-직류) 컨버터(강압 쵸퍼, 승압 쵸퍼, 승강압 쵸퍼 등을 포함), 절연형 DC-DC(직류-직류) 컨버터(포워드 컨버터, 플라이백 컨버터, 하프 브릿지 컨버터, 풀 브릿지 컨버터, 푸쉬-풀 컨버터 등을 포함)를 포함할 수 있다.
DC-DC(직류-직류) 컨버터의 전자 스위치 어셈블리는 3극관(여러가지 전계 효과 트랜지스터, 양극성 트랜지스터 등을 포함), 다이오드 등 스위치 소자를 포함할 수 있다.
DC-DC(직류-직류) 컨버터로서 선택되는 상호 인덕턴스의 상호유도계수는 0.5보다 크고, 1차 및 2차 인덕턴스 값은 10nH보다 작지 않으며, 1차 및 2차 기생 저항은 1MΩ보다 크지 않다.
회로의 전체적인 동작 방식은 아래와 같다(일 충전 주기를 예로 설명한다). 제1단계에서, 전자 스위치(J1와 J2)는 오프 되고, 마찰식 나노 발전기는 브릿지형 정류 회로를 통해 임시 저장 커패시터를 충전시킨다. 제2 단계에서, 임시 저장 커패시터의 전압이 소정값(V1)에 도달하면, 제어 회로의 제어를 통해, 스위치(J1)가 온 되고, 임시 저장 커패시터의 전압은 저하되기 시작한다. 제3 단계에서, 임시 저장 커패시터의 전압이 미리 설정된 소정값(V2, V2는 V1보다 작다)보다 낮게 되면, 제어 회로(또는 제어기)의 제어를 통해, 스위치(J1)가 오프 되고, 스위치(J2)가 온 된다. 최종적으로, 상호 인덕턴스장치(L2)의 에너지가 최종 에너지 저장 장치로 전이되면, 제어 회로의 제어를 통해, 스위치(J2)가 오프 된다. 이로써 일 충전 주기가 완료된다.
에너지 임시 저장 장치는 배터리일 수도 있으며, 동작 과정은 아래와 같다. 제어 회로를 통해, 구형파 클럭 신호를 생성하여 제1 스위치(J1) 및/또는 제2 스위치(J2)의 오프 시간을 제어한다. 제어 회로의 출력 신호가 로우 레벨이면, 상기 제1 스위치(J1)와 상기 제2 스위치(J2)는 오프 된다. 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨이면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치(J1)는 온 된다. 상기 제어 회로의 출력 신호가 다시 로우 레벨이 되면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록, 상기 제1 스위치(J1)는 오프 되고 상기 제2 스위치(J2)는 온 된다.
V1의 값의 범위는 15V-1000V이고, V2의 값의 범위는 0-0.999×V1이다.
에너지 임시 저장 장치는 적어도 하나의 배터리를 포함한다. 각 배터리는 직렬/병렬을 통해 배터리 그룹을 형성할 수 있는데, 총 전압은 10V-500V이고, 내부 저항은 1MΩ보다 크지 않으며, 누설전류는 10mA보다 크지 않다. 에너지 임시 저장 장치의 전압은 에너지 저장 장치의 전압의 3-1000배일 수 있다.
전체 제어 회로의 동작 상태는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에 있어서, 수집 대기 전원으로서, 15층의 적층형 마찰식 나노 발전기를 채용한다. 마찰식 나노 발전기를 끊임없이 누름으로써, 교류 신호를 생성하여 전체 시스템에 입력시킨다. 이 때, 임시 저장 커패시터의 전압(Vtemp)은 230V부터 0V 사이에서 변화하기 시작한다. Vtemp가 저하될 때마다, 임시 저장 커패시터의 에너지는 DC-DC 컨버터를 경유하여 최종 저장 커패시터로 성공적으로 전이된다. 따라서, 저장 커패시터의 전압(Vstore(V저장))은 상승한다. 계산에 의하면, 임시 저장 커패시터(Ctemp)로부터 전이된 에너지는 9.160mJ이며, 이 부분의 에너지에서 최종적으로 저장 커패시터Cstore((C저장))에 저장된 에너지는 8.243mJ이다. 이로써, 본 발명에서 설계한 DC-DC 컨버터의 에너지 전환 효율은 90%라는 것을 알 수 있다.
전체 에너지 관리 회로에서 가장 중요한 파라미터는 회로 전체의 에너지 전환 효율이다. 전체 에너지 전환 효율은, 마찰식 나노 발전기 시스템이 출력 가능한 직류 전력으로 저항에서 출력 가능한 최대 평균 교류 전력을 나눈 값으로 정의할 수 있다. 실험을 통해 본 발명의 에너지 관리 회로의 전체 에너지 전환 효율을 측정하였다. 측정 결과는 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같다. 우선, 외부 저항을 변화시키면서, 4.26MΩ의 매칭 저항 조건하에서, 마찰식 나노 발전기가 출력 가능한 최대 평균 교류 전력은 0.3384mW이고, 동일한 조건하에서 에너지 관리 회로를 통해 출력 가능한 최대 직류 전력은 0.202mW라는 것을 측정하였다. 따라서, 이 에너지 관리 회로의 전체 에너지 전환 효율(ηtotal)은 60%에 달할 수 있는 바, 단일 단계 충전에 의한 전체 에너지 전환 효율(1% 미만)보다 훨씬 더 크다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치의 구성 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치도 제공하는 바, 상기 에너지 관리 장치는, 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 일시적으로 저장하도록 배치된 에너지 임시 저장 장치(102, 관리 회로의 에너지 임시 저장 장치에 대응); 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지를 에너지 저장 장치로 전송하도록 배치된 전송 유닛(103, 관리 회로의 DC-DC 컨버터에 대응); 및 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 전송된 전기 에너지를 저장하도록 배치된 상기 에너지 저장 장치(104, 관리 회로의 에너지 저장 장치에 대응), 를 포함할 수 있다. 상술한 구성에 의해, 에너지 임시 저장 장치의 충방전을 통해 에너지 저장 장치에 대한 충전을 실현하고, 마찰식 나노 발전기와 에너지 저장 장치 사이의 임피던스 매칭을 실현하여, 에너지 저장 효율을 대폭 향상시킴으로써, 마찰식 나노 발전기에서 출력된 교류 전기 에너지를 효율적으로 정전압 직류 전력으로 전환하여 출력할 수 있다.
실시예에서, 마찰식 나노 발전기는, 상기 마찰식 나노 발전기로부터의 교류 전기 에너지를 직류로 전환하여 출력하도록 배치된 정류기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 마찰식 나노 발전기가 교류를 출력한다면, 본 발명에서 제공하는 장치는, 정류기(101, 관리 회로의 정류기에 대응)를 포함할 수 있다(도 6 참조).
실시예에 있어서, 상기 전송 유닛(103)은, 상기 에너지 임시 저장 장치(102)에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값(V1)에 도달하면 상기 에너지 저장 장치(104)로 전기 에너지를 전송하도록 배치된다. 상기 에너지 임시 저장 장치(102)는, 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치(104)로 전송하는 과정에 있어서 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값(V2)에 도달하면, 상기 에너지 저장 장치(104)로의 전기 에너지의 전송을 멈추도록 배치될 수도 있다. 이런 배치 방식은 에너지 임시 저장 장치가 주기적으로 충방전 되도록 할 수 있으며, 이로써 에너지 저장 장치(104)를 여러번 충전할 수 있다. 그러기 위해서, V1의 값은 V2 이상이여야 한다.
에너지 임시 저장 장치(102)에 저장된 전기 에너지가 직류 전력이므로, 에너지 임시 저장 장치(102)의 전기 에너지를 에너지 저장 장치(104)로 전송 또는 전이하기 위하여, 전송 유닛(103)은 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, DC-DC 컨버터는 비절연형 DC-DC 컨버터(예를 들면, 강압 쵸퍼, 승압 쵸퍼, 승강압 쵸퍼 등), 절연형 DC-DC 컨버터(예를 들면, 포워드 컨버터, 플라이백 컨버터, 하프 브릿지 컨버터, 풀 브릿지 컨버터, 푸쉬-풀 컨버터 등)를 포함할 수 있다. 일 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명에서 사용하는 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치(J1), 제1 스위치(J1)를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치(102)와 병렬 연결된 제1 인덕턴스(L1), 제2 스위치(J2), 및 제2 스위치(J2)를 통해 상기 에너지 저장 장치(104)와 병렬 연결된 제2 인덕턴스(L2), 를 포함할 수 있는데, 상기 제1 인덕턴스(L1)와 상기 제2 인덕턴스(L2)는 상호 인덕턴스를 형성한다.
실시예에 있어서, 상기 에너지 임시 저장 장치(102)에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값(V1)에 도달하면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치(102)로부터 상기 제1 인덕턴스(L1)로 전송되도록 상기 제1 스위치(J1)는 온 되고, 상기 에너지 임시 저장 장치(102)에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스(L1)로부터 상기 제2 인덕턴스(L2)를 경유하여 상기 에너지 저장 장치(104)로 전송되도록 상기 제1 스위치(J1)가 오프 되고 상기 제2 스위치(J2)가 온 된다. 실시예에 있어서, 전기 에너지가 제2 인덕턴스(L2)로부터 에너지 저장 장치(104)로 전송된 후, 상기 에너지 임시 저장 장치(102)에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치(J1)와 상기 제2 스위치(J2)는, 에너지 임시 저장 장치가 정류기(101)로부터 얻은 전기 에너지를 신속하게 축적할 수 있도록 모두 오프 되어야 한다.
비교적 양호한 에너지 전송 효과를 실현하기 위하여, 제1 인덕턴스(L1)와 제2 인덕턴스(L2)의 상호유도계수는 0.5보다 클 수 있고, 인덕턴스 값은 모두 10nH 이상 일 수 있으며, 기생 저항은 모두 1MΩ 이하 일 수 있다. 실시예에 있어서, 상기 제1 소정값의 범위는 상용 전압의 범위를 커버하도록, 예를 들면 15V-1000V일 수 있다. 동시에, 주기적으로 전체적인 에너지 전송 과정을 실현하도록, 제2 소정값의 범위는 제1 소정값보다 작아야 하는 바, 예를 들면 제2 소정값(V2)의 범위는 0V＜V2≤V1일 수 있다.
실시예에 있어서, 전송 유닛(103)은 제어기(또는 프로세서)(미도시)를 포함할 수 있는데, 상기 제어기는 에너지 관리 장치의 각 어셈블리와 결합되어, 에너지 임시 저장 장치(102) 및/또는 에너지 저장 장치(104)의 전압을 모니터링 하도록 배치될 수 있으며, 본 발명의 상술한 원리에 따라 제1 스위치(J1)와 제2 스위치(J2)의 온/오프 상태를 제어할 수 있다. 실시예에 있어서, 스위치의 상태를 간편하게 제어하기 위하여, 제1 스위치(J1)와 제2 스위치(J2)는, 예를 들면 3극관(양극성 트랜지스터 및 전계 효과 트랜지스터 등을 포함), 다이오드 등과 같은 전자 스위치 일 수 있다. 실시예에 있어서, 에너지 임시 저장 장치(102)는 예를 들면 전해 커패시터, 세라믹 커패시터, 슈퍼 커패시터 등과 같은 1pF-1mF의 커패시터 일 수 있다. 에너지 저장 장치(104)는, 내부 저항이 1MΩ 이하이고 누설전류가 100mA 이하인 충전 배터리(예를 들면 리튬 이온 배터리, 니켈 수소 충전 배터리 등) 또는 커패시터(예를 들면 슈퍼 커패시터, 일반 커패시터 등)일 수 있다. 정류기(101)(또는 정류 회로)는 브릿지형 다이오드 정류기 또는 브릿지형 반파 정류기 일 수 있다.
기타 실시예에 있어서, 에너지 임시 저장 장치는 배터리 일 수도 있는 바, 제어 회로를 통해 구형파 클럭 신호를 생성하여 제1 스위치(J1) 및/또는 제2 스위치(J2)의 오프 시간을 제어한다. 제어 회로의 출력 신호가 로우 레벨이면, 상기 제1 스위치(J1)와 상기 제2 스위치(J2)는 오프 되고, 상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨이면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치(J1)는 온 된다. 또한, 상기 제어 회로의 출력신호가 다시 로우 레벨로 되면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치(J1)는 오프 되고 상기 제2 스위치(J2)는 온 된다.
에너지 임시 저장 장치로서 커패시터를 채용하는 경우와 동일하게, 에너지가 제2 인덕턴스로부터 에너지 저장 장치로 완전히 전송되면, 제2 스위치(J2)는 다시 오프 된다.
배터리의 전압을 M1, 에너지 저장 장치의 전압을 M2라고 하면, 제1 스위치(J1)와 제2 스위치(J2)의 스위칭 듀티비는 중요한 파라미터로서, 전압비의 값과 DC-DC 컨버터의 유형에 따라 적합한 듀티비를 선택할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예의 구체적인 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서, 본 발명에 대하여 여러가지 간단한 변경을 가할 수 있으며, 이러한 간단한 변경은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다. 예를 들면, 발명의 원리에 위배되지 않는 조건 하에서, 본 발명의 실시예의 회로에는, 예를 들면 저항과 같은 회로 기능에 영향 주지 않는 기타 소자, 디바이스가 포함될 수 있다.
또한, 상술한 발명의 구체적인 실시예에서 설명한 각 구체적인 기술적 특징들은 서로 모순되지 않는 한, 임의의 방식을 통해 조합될 수 있다. 불필요한 중복을 면하기 위하여, 본 발명에서는 여러가지 가능한 조합 방식에 대한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 상이한 실시예들은 임의로 조합될 수 있는 바, 본 발명의 주지를 이탈하지 않는 한, 이런 조합들도 본 발명에서 개시된 내용으로 간주하여야 한다.

Claims (34)

  1. 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 회로에 있어서,
    상기 에너지 관리 회로는 순차로 상기 마찰식 나노 발전기와 병렬 연결된 제1 회로 및 제2 회로를 포함하고,
    상기 제1 회로는 에너지 임시 저장 장치를 포함하고,
    상기 제2 회로는 병렬 연결된 DC-DC 컨버터와 에너지 저장 장치를 포함하며;
    상기 DC-DC 컨버터는 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 에너지 저장 장치로 전송하도록 배치되고,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지의 전압이 제1 소정값에 도달하면, 상기 에너지 임시 저장 장치에 저장된 전기 에너지를 상기 DC-DC 컨버터로 전송하고; 상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 제2 소정값에 도달하면, 상기 DC-DC 컨버터로부터 상기 에너지 저장 장치로 전기 에너지를 전송하도록 배치되며,
    상기 제2 소정값의 크기는 상기 제1 소정값 보다 작고,
    상기 DC-DC 컨버터는, 제1 스위치, 상기 제1 스위치를 통해 상기 에너지 임시 저장 장치와 병렬 연결된 제1 인덕턴스, 제2 스위치, 및 상기 제2 스위치를 통해 상기 에너지 저장 장치와 병렬 연결된 제2 인덕턴스를 포함하고;
    상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스는 상호 인덕턴스를 형성하는
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 회로는, 상기 마찰식 나노 발전기에서 출력된 전기 에너지를 직류 전력으로 정류하여 상기 에너지 임시 저장 장치로 제공하도록 배치된 정류기를 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하기 전에, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 오프 되고;
    상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제1 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치는 온 되고; 및
    상기 에너지 임시 저장 장치에 일시적으로 저장된 전기 에너지의 전압이 상기 제2 소정값에 도달하면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치가 오프 되고 상기 제2 스위치는 온 되는
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전기 에너지가 상기 제2 인덕턴스로부터 상기 에너지 저장 장치로 전부 전송된 후, 상기 제2 스위치는 다시 오프 되는
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소정값의 범위는 15V-1000V인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 임시 저장 장치는 1pF-1mF의 커패시터인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 임시 저장 장치는 배터리이고, 제어 회로를 통해 구형파 클럭 신호를 생성하여 상기 제1 스위치 및/또는 상기 제2 스위치의 온 시간을 제어하며,
    상기 제어 회로의 출력 신호가 로우 레벨이면, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 오프 되고;
    상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨이면, 전기 에너지가 상기 에너지 임시 저장 장치로부터 상기 제1 인덕턴스로 전송되도록 상기 제1 스위치는 온 되고;
    상기 제어 회로의 출력 신호가 하이 레벨로부터 다시 로우 레벨로 되면, 전기 에너지가 상기 제1 인덕턴스로부터 상기 제2 인덕턴스를 경유하여 상기 에너지 저장 장치로 전송되도록 상기 제1 스위치는 오프 되고 상기 제2 스위치는 온 되는
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 임시 저장 장치는 적어도 하나의 배터리를 포함하는데, 총 전압은 10V-500V이고, 내부 저항은 1MΩ보다 크지 않으며, 누설 전류는 10mA보다 크지 않은
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 임시 저장 장치의 전압은 상기 에너지 저장 장치의 전압의 3-1000 배인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스의 상호유도계수는 0.5보다 크고, 인덕턴스 값은 모두 10nH 이상이며, 기생 저항은 모두 1MΩ 이하인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  14. 제1항 내지 제2항, 제5항 내지 제6항 및 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는, 내부 저항이 1MΩ 이하이고 누설 전류가 100mA 이하인 충전 배터리 또는 커패시터인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 제2 스위치는 전자 스위치인
    것을 특징으로 하는 에너지 관리 회로.
  16. 제1항 내지 제2항, 제5항 내지 제6항, 제8항 내지 제13항 및 제15항 중 어느 한 항의 에너지 관리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰식 나노 발전기의 에너지 관리 장치.
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