KR102126735B1 - 전력선의 전계 및 자계 에너지를 추출하는 전자계 에너지 하베스팅 장치 - Google Patents

전력선의 전계 및 자계 에너지를 추출하는 전자계 에너지 하베스팅 장치 Download PDF

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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling

Abstract

제1항에 있어서,
상기 에너지 저장부에 모인 에너지가 센서 노드를 구동시킬 수 있을 만큼 모일 때마다 자동 연결하여 상기 센서 노드에 전력을 제공하는 자동 연결 회로(Automatic Connection Circuit)부를 더 포함하는
전자계 에너지 하베스팅 장치.

Description

전력선의 전계 및 자계 에너지를 추출하는 전자계 에너지 하베스팅 장치{ENERGY HAVESTING DEVICE FOR EXTRACTING ELECTRIC AND MAGNETIC FIELD ENERGY OF POWER LINE}
본 발명은 전자계 에너지 하베스팅 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력선 주변에 분포하는 전계 및 자계 에너지를 추출하는 전자계 에너지 하베스팅 장치에 관한 것이다.
송전선과 같은 전력선의 모니터링 시스템을 구축하기 위해서는 수많은 센서가 필요하고 각각의 센서에 전력이 공급되어야 한다. 각각의 센서는 배터리로 전원을 공급하기에는 유지 및 보수가 힘들고 전력선에서 전원을 끌어오기에는 고 전압의 교류전원을 저 전압의 직류전원으로 변환하기가 어렵고 비효율적인 문제가 있다.
국내 등록 특허 제 10-1397422호 (표유 전계 에너지 하베스팅 장치, 표유 전계 에너지 하베스팅 기반의 센서 네트워크의 전력공급 장치)
본 발명의 실시 예들은, 전력선의 전계와 자계로부터 각각 에너지를 추출하여 하나의 저장 장치에 모으는 전자계 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예들은, 전력선의 전계와 자계의 에너지를 이용하여 전력선 모니터링 시스템의 센서에 구동전력을 제공하는 전자계 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치는, 전력선 주변의 전계 에너지 및 자계 에너지를 수집하여 전자계 하베스터, 상기 전자계 하베스터에 수집된 에너지를 정류하는 정류부 및 상기 정류된 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전자계 하베스터는 전력선 주변의 전계 에너지를 수집하고, 상기 전자계 에너지 하베스팅 장치의 케이스로 구성되는 전계 하베스터 및 전계 하베스터로 둘러 쌓여 상기 전력선 주변의 자계 에너지를 수집하는 자계 하베스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전계 하베스터는 자계에 영향을 미치지 않는 비 자성 도체로 구성될 수 있다. 또한, 전계 하베스터는 야외 환경에서 강우와 바람에 강인한 구조로 형성될 수 있으며, 원 기둥을 눕힌 형태, 오각 기둥을 눕힌 형태, 삼각 기둥을 눕힌 형태 및 원 루프 형태 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치는 에너지 저장부에 모인 에너지가 센서 노드를 구동시킬 수 있을 만큼 모일 때마다 자동 연결하여 상기 센서 노드에 전력을 제공하는 자동 연결 회로(Automatic Connection Circuit)부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전력선의 전계와 자계로부터 각각 에너지를 추출하여 하나의 저장 장치에 모을 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전력선의 전계와 자계의 에너지를 이용하여 전력선 모니터링 시스템의 센서에 구동전력을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전력선의 전계와 자계로부터 각각 에너지를 추출하여 하나의 저장 장치에 모을 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 전력선의 전계와 자계의 에너지를 이용하여 전력선 모니터링 시스템의 센서에 구동전력을 제공할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 전력선 주변에 설치된다. 여기서, 전력선 주변은 전력선의 전기력과 자기력이 미치는 공간으로 정의할 수 있다. 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 예를 들면, 송전선 하부 지상에 송전선과 직교되는 방향으로 설치된 것으로 표현되었으나, 이에 한정된 것은 아니다. 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 전력선의 전계 및 자계로부터 각각 에너지를 추출한다. 또한, 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 추출한 에너지를 저장하여 전력선을 모니터링 하는 센서 노드(200)에 구동 전력을 공급할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 전자계 하베스터(120), 정류부(140), 에너지 저장부(160)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 전자계 하베스터(120)는 케이스를 구성하는 전계 하베스터(122) 및 전계 하베스터(122)로 둘러 쌓인 자계 하베스터(124)를 포함한다. 전자계 하베스터(120)는 전계 하베스터(122) 및 자계 하베스터(124)를 하나의 하베스터로 결합하여 안정적인 최소 출력을 보장하면서도 높은 출력전압을 만들 수 있다.
전계 하베스터(122)는 얇은 도체로 구성되어 전력선과 도체의 면적에 의해서 형성된 용량성 결합(Capacitive coupling)을 이용하여 전력선에서 방출되는 전계의 에너지를 추출한다. 전계 하베스터(122)는 자계 하베스터(124)에 에너지를 제공하는 자계에 영향을 주지 않도록 알루미늄이나 구리와 같은 비 자성 도체로 구성된다. 전계 하베스터(122)는 전력선의 전압이 일정하기 때문에 출력이 매우 안정적이고 무부하 전압이 높아 높은 출력전압 (수 100 V)을 만들 수 있다. 만약, 전계 하베스터만 전력선에 설치하는 경우에는 내부 임피던스가 매우 커서(수 G 이상) 출력 전류가 작아 단위부피당 출력이 비교적 낮을 수 있는 문제점이 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 하베스터(122)는 예를 들면, (a)원 기둥을 눕힌 형태, (b)오각 기둥을 눕힌 형태, (c)삼각 기둥을 눕힌 형태 및 (d)원 루프 형태 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이는 전계 하베스터(122)가 전자계 하베스팅 장치(100)의 케이스로 전력선 주변의 야외 환경에 설치되어야 하므로, 강우와 바람에 강인한 구조이어야 하기 때문이다.
다시 도 3을 참조하면, 자계 하베스터(124)는 전력선로에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 자기장이 코일 내부를 통과하면서 발생하는 유도 결합(Inductive coupling)을 이용하여 전력선에서 방출되는 자계의 에너지를 추출한다. 자계 하베스터(124)는 예를 들면, 철심 및 철심을 둘러싼 솔레노이드 코일로 구성될 수 있으나, 자기 변형재료를 이용한 자기 하베스터 등 향 후 개발되는 다양한 형태의 자계 하베스터를 포함할 수 있다. 자계 하베스터(124)는 유도 결합 효율을 높이기 위하여 전력선의 방향과 철심 및 솔레노이드 코일 방향이 직교하도록 설치한다. 자계 하베스터(124)는 단위부피당 출력은 비교적 높다. 만약, 자계 하베스터만 전력선에 설치하는 경우에는 전력선에 흐르는 전류가 시각에 따라 변하기 때문에 출력이 일정하지 않고 출력전압이 수백 mV에서 수 V 정도로 낮을 수 있는 문제점이 있다.
정류부(140)는 교류 전력선의 전계 및 자계로부터 전자계 하베스터(100)에 충방전 되는 에너지를 정류한다.
에너지 저장부(160)는 정류된 에너지를 저장한다. 에너지 저장부(160)는 미리 설정된 용량의 저장 커패시터를 이용할 수 있다.
전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 에너지 저장부(160)에 모인 에너지가 센서 노드(200)를 구동시킬 수 있을 만큼 모일 때마다 자동 연결하여 센서 노드(200)에 전력을 제공하는 자동 연결 회로(Automatic Connection Circuit)부(180)를 더 포함할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치의 효과를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)를 한국전력에서 운영하는 765 kV 선하 환경장해 측정소에 무선 센서 노드와 함께 설치하여 실험하였다. 여기서, 실험 조건을 아래의 표 1에 나타내었고 전계와 자계의 세기는 지상으로부터의 높이가 높아지면 더 강해지고 낮아지면 더 약해지기 때문에 높이 2.8 m를 기준으로 명시하였다. 또한 날씨와 시간의 영향을 받지만 실험 중에는 크게 달라지지는 않았다.
시험장소 765 kV 선하 전기환경장해 측정소
(충청남도 예산군)
송전전압 765 kV
송전선 높이 지상에서 34 m
전자계 에너지 하베스팅 장치 설치 높이 지상에서 2.8 m
전계 세기 1.97 kV/m
자계 세기 4.55 uT
전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 전자계 하베스터(120)에서 출력이 발생하였고, 이를 정류하여 하나의 에너지 저장부(160)에 저장하였다.
도 6을 참조하면, 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)에 저장된 에너지(660)는 전계 하베스터의 에너지(610)와 자계 하베스터의 에너지(620)를 따로 사용할 때 보다 크다는 것을 실험 결과 파형을 통하여 확인하였다.
도 7을 참조하면, 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 에너지 저장부(160)에 모인 에너지가 센서 노드(200)를 구동시킬 수 있을 만큼 모일 때 마다 자동 연결 회로부(180)가 모인 에너지를 센서 노드(200)에 자동으로 공급하여 센서 노드(200)를 구동시킬 수 있다. 여기서, 센서 노드(200)는 전력선 모니터링 데이터를 수집하고 전력선 모니터링 시스템(미도시)으로 수집된 데이터를 송신한다. 센서 노드(200)는 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)의 출력에 의해 동작 주기가 결정되기 때문에 전계 하베스터만 사용할 때(710)보다 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)로 센서 노드(200)를 구동할 때(720) 센서 노드(200)의 동작 주기가 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 자계 하베스터만 사용할 경우에는 출력 전압이 낮아 센서 노드(200)를 구동시키지 못하였다.
도 8을 참조하면, 전자계 에너지 하베스팅 장치(100)는 또한, 지상으로부터 높아져서 송전선과 가까워 질수록 전자계의 세기가 강해지기 때문에 센서 노드(200)의 동작주기가 짧아지는 것을 볼 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 다만, 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 전력선을 둘러싸거나 접촉하지 아니하고 상기 전력선의 전계 및 자계 에너지를 추출하는 전자계 에너지 하베스팅 장치에 있어서,
    전력선 주변의 전계 에너지 및 자계 에너지를 수집하는 전자계 하베스터;
    상기 전자계 하베스터에 수집된 에너지를 정류하는 정류부; 및
    상기 정류된 에너지를 저장하는 에너지 저장부를 포함하며,
    상기 전자계 하베스터는,
    전력선 주변의 전계 에너지를 수집하고, 상기 전자계 에너지 하베스팅 장치의 케이스로 구성되는 전계 하베스터;
    상기 전계 하베스터로 둘러 쌓이거나 상기 전계 하베스터의 내부에 배치되어 상기 전력선 주변의 자계 에너지를 수집하는 자계 하베스터를 포함하고,
    상기 전계 하베스터는,
    원 기둥을 눕힌 형태, 오각 기둥을 눕힌 형태, 삼각 기둥을 눕힌 형태 및 원 루프 형태 중 어느 하나인, 전자계 에너지 하베스팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전계 하베스터는
    자계에 영향을 미치지 않는 비 자성 도체로 구성되는
    전자계 에너지 하베스팅 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부에 모인 에너지가 센서 노드를 구동시킬 수 있을 만큼 모일 때마다 자동 연결하여 상기 센서 노드에 전력을 제공하는 자동 연결 회로(Automatic Connection Circuit)부를 더 포함하는
    전자계 에너지 하베스팅 장치.
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