KR102398852B1 - 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈 - Google Patents

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박현문
정장묵
조영민
이은정
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Abstract

본 발명은 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈 및 회로구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈 및 회로구조 하우징 내 상면과 하면을 구성하고, 동일 전하 유도 소자 간 공간을 분리하는 비전도성 가이드와, 하우징 내에 배치되는 마찰전기 발전 소자와, 보도 블록에 가해지는 힘에 의해 압축되는 스프링 소자 및 스프링 소자에 의해 일측이 눌러지며, 타측과 연결된 하면의 비전도성 가이드를 상승시키는 승강부를 포함한다.

Description

보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈 및 회로구조{SELF-POWERED SIDEWALK BLOCK MODULES FOR PEDESTRIAN SAFETY}
본 발명은 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈 및 회로구조에 관한 것이다.
기존 횡단보도에 설치되는 보도블록이나 점자블록은 보행자 안전을 위해 LED를 이용한 안전시스템을 제공하며, 최근에는 에너지 하베스팅, 인공지능 기술 등을 이용하여 다양한 보도블록이 다양하게 능동적으로 작동하는 시스템이 제안되고 있다.
LED 기반의 보행자 안전 블록 시스템은 블록 뿐 아니라 전원을 위한 별도 공사 또는 허가가 필요하며, 외부 전원 장치가 요구되므로, 공사 비용과 외적 비용 소모가 큰 문제점이 있다.
또한, 에너지 하베스팅 기술로 열전, 압전(피에조) 등 다양한 방식을 이용한 블록들의 LED 발광 시스템이 제안되었는데, 압전 기반의 전원 공급 장치는 MEMS 기반의 재질로 인해 발전스트레스에 의한 소자신뢰성이 떨어지고, 태양광은 시간에 따른 외충격과 이물질에 따른 효율성 저하의 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 에너지 손실을 줄이고 전체 시스템의 전원 안정성을 확보하는 것이 가능한 다층-다수의 모듈로 구성된 자가발전 보도블록 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈은 하우징 내 상면과 하면을 구성하고, 동일 전하 유도 소자 간 공간을 분리하는 비전도성 가이드와, 하우징 내에 배치되는 마찰전기 발전 소자와, 보도 블록에 가해지는 힘에 의해 압축되는 스프링 소자 및 스프링 소자에 의해 일측이 눌러지며, 타측과 연결된 하면의 비전도성 가이드를 상승시키는 승강부를 포함한다.
본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈은 단일 보도 블록 내 포함되는 단위 발전 소자의 개수, 단위 발전 소자의 에너지, 변환을 통한 손실 에너지를 고려한 결과에 따라, 법정 규격의 단일 보도 블록 내에서 9개의 조각으로 포함된다.
본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈은 보도 블록에 의해 가해지는 힘에 의해 마찰전기 발전소자가 맞닿는 경우 충돌을 완충하는 충돌 완충부를 더 포함한다.
상기 비전도성 가이드는 상기 스프링 소자와 연결되지 않은 고정판과 상기 스프링 소자와 연결된 이동판으로 구성되고, 상기 이동판은 상기 스프링의 진동에 따라 상기 마찰전기 발전 소자가 맞닿도록 이동된다.
상기 상면 및 고정판과 연결된 상기 마찰전기 발전 소자를 포함하는 상부 영역은 AC 전원을 통해 발광 소자와 연결되고, 상기 하면 및 이동판과 연결된 상기 마찰전기 발전 소자를 포함하는 하부 영역은 DC와 연결된다.
본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈은 상기 DC 전원을 수신하여 근거리 무선 통신을 수행하는 통신모듈을 더 포함하고, 상기 통신모듈은 비컨에 GPS 정보를 가상으로 매핑하여 위치기반 서비스와 관련한 메시지를 전송한다.
본 발명에 따르면, AC에서 바로 LED로 출력함으로써 변환으로 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있고, 다단화 된 에너지 발전소자에 통신모듈에 필요한 전원을 독립적으로 제공함으로써 LED를 발광으로 인해 부족할 수 있는 통신모듈의 에너지를 별도 관리함으로써 전체 시스템적인 전원 안전성을 제공할 수 있다.
또한, DC에 LED와 통신 모듈이 동시에 존재할 경우, 개별 출력에 대한 저장공간 및 여러 가지 보호 회로가 필요하지만, 통신 모듈과 발광부 회로가 분리됨으로써, 내고장성을 확보하는 것이 가능하다.
또한, 저장소를 1개로 이용해 DC-DC 변환 또는 저장소에서 바로 통신 모듈로 쇼트키 다이오드를 통해 통신모듈로 이용할 수 있게 저장소를 설계함으로써 에너지 효율성을 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 마찰 또는 압전에 의한 전기 발생을 도시한다.
도 2는 종래 기술에 따른 최대에너지, 최소 에너지 하중 지점을 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 다수의 에너지 전달 봉으로 인한 최소에너지(MINIMUM E-POINT) 하중지점 극복방안을 도시한다.
도 4는 종래 기술에 따른 다수 블록으로 인한 문제점을 도시한다.
도 5는 일반적인 TENG 전하의 이동을 도시한다.
도 6은 종래 기술에 따른 부분적 컨택으로 발생되는 문제점을 도시한다.
도 7은 다이오드 특성에 의한 전압에 따른 전류 손실 (IF(AV))의 그래프를 도시한다.
도 8은 30x30cm 소자인 A Source, 10x10cm 소자인 B Source는, 5x5cm 소자인 C Source의 전체 블록 발생량을 비교한 표이다.
도 9는 종래 기술에 따른 보도 블록을 이용한 발광 및 통신을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 보도블록의 내부 구조를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다단화 된 발전소자를 이용한 방식을 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 최적 블록 개수 산출을 도시한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 통한 다층 가중치 연결을 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다층 연결을 도시한다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈의 활용예를 도시한다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
이하에서는, 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경에 대하여 먼저 서술하고, 본 발명의 실시예에 대하여 서술하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 마찰 또는 압전에 의한 전기 발생을 도시한다.
압전, 마찰전기 기반의 블록 기반 에너지 수집 시스템은 보행자를 고려하지 않고, 외부 에너지를 높은 효율로 수신하기 위한 수단을 제안함에 그쳐, 외부 다양한 환경을 고려하지 못한 문제점이 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 최대에너지, 최소 에너지 하중 지점을 도시한다.
종래 기술에 따르면, 보도블록의 상면에서 가해지는 최대하중 지점에 대한 고려를 할 뿐, 최소하중 지점에 대한 고려가 미흡한 한계가 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 다수의 에너지 전달 봉으로 인한 최소에너지(MINIMUM E-POINT) 하중지점 극복방안을 도시한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 단판으로 수직화된 구성에서 다수의 에너지 구조물로 인해 최소에너지 하중지점의 에너지 발생량은 증가하였으나, 최대에너지 하중지점에 다수의 전달 봉에 따른 보행 압력을 견디는 반발력이 향상되므로, 더 많은 압력과 힘이 필요하게 되어, 최대에너지 하중지점의 전력감소와 전체 보도블록의 에너지가 감소하는 문제점이 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 다수 블록으로 인한 문제점을 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이 너무 많은 다수 블록이 존재하는 경우, 하중에 대한 에너지 저장과 반발이 적어 최대에너지를 제공할 수 있지만, 보도블록, 점자블록 및 모듈의 특성상 부드러운 재질 또는 유연한 재질로 구성된 블록은 내구성이 취약한 문제점이 있다.
예를 들어, 도보 블록에 받는 충격은 60kg일 때 최소 90~240kg 하중이며, 남성은 80kg일 때 120~320kg로 1.5~4배가 실리기 때문에, 도 4에 도시한 바와 같은 너무 많은 형태의 블록 구조는 내구성을 보장하기 어려운 문제점이 있으며, 국내 보도의 특성상 자전거, 오토바이 등 다양한 요소와 하중을 고려하여야 한다는 점에서 도 4에 도시한 바와 같은 다접점 구조는 사용할 수 없다는 한계가 있다.
따라서, 일정한 개수를 지닌 다단화 된 소자발전이 필요하다.
특히, PFA(PerFluoro Alkoxy), PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)를 음전하로 사용하는 TENG 마찰전기 소자는 voltage가 높고, current가 낮다는 단점을 갖는다.
따라서, AC-DC 변환효율을 고려한다면 voltage를 낮추면서도 current 수집을 최대한 증가시켜야 하며, 본 발명은 이러한 점에 착안하여 발전소자를 일정한 블록단위로 분류한다.
본 발명의 상세한 설명을 설명하기에 앞서, 종래 기술에 따른 블록의 문제점에 대해 먼저 설명한다.
일반적인 점자블록 규정은 30×30cm로 구성되며, 약 900cm2 의 면적을 갖는다.
마찰전기의 최근 발전량은 1cm2에 1.5mW를 출력할 수 있으며 점자블록을 위해 외부케이스를 100cm2로 가정해도, 산술적으로는 약 1,200mW(1.5mW×800cm2)에 에너지를 발생할 수 있다.
도 5는 일반적인 TENG 전하의 이동을 도시하고, 도 6은 부분적 컨택으로 발생되는 문제점을 도시한다.
최소하중 위치에 압력, 질량이 가해지면 부분적 컨택(contact)로 인해 출력량의 10% 수준까지 줄어들 수 있음을 확인하였다.
이러한 이유는 TENG의 특성인데, 두 개의 대전 판에 +,-가 나열해있으며, PFA 계열과 금속이 마찰을 일으키면서 +,-전하가 빠르게 한쪽에는 + 전하가, 다른 한쪽에는 -의 전하가 나열하게 된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 가장 좋은 에너지 발생 조건은, a), b), c) 위치의 면이 모두 붙었다가 떨어지는 것인데, a), b) 위치의 면만 닿고 c)가 닿지 않거나, a) 위치에만 닿고, b), c)가 제대로 마찰하지 않는다면, +,- 전하 이동이 한쪽에 몰리게 되고, 몰린 영역에 전하 간의 충돌 현상과 병목현상으로 임피던스(Z)가 증가함에 따라 에너지 손실이 심하게 증가하게 된다.
이러한 현상은 TENG 소자의 크기가 클수록, 발전량 감속 폭이 상대적으로 빠르게 증가한다.
이에 따라, 앞서 1,200mW가 발생하는 TENG가 닫는 면적에 따라서는 200mW 수준까지 감소될 수 있으며, 이 경우 10x10cm 소자에 최대 압력을 받는 것보다도 더 낮은 결과가 나오게 된다.
전력의 변화폭이 커짐에 따라서, 넓은 범위에 발생하는 전류와 전압을 고려하여 AC에서 DC로 변환되는 전력 손실이 증가하게 된다.
특히, TENG는 면적이 크면 클수록 전압(voltage) 변동성이 커지기 때문에, 전류(current)손실이 증가하게 된다.
예를 들어, 브리지 정류기(Bridge Rectifier)에서 Vishay 사의 100V기반 브리지 정류기는 전류손실은 400uA이며, 전압 또한 1.0V 이상의 손실과 저항 12Ω으로 저항이 크다.
전압이 클수록 상대 저항이 커지기 때문에 전류(current) 손실이 증가하게 된다.
도 7은 종래 기술에 따른 다이오드 특성에 의한 전압에 따른 전류 손실 (IF(AV))의 그래프를 도시한다.
브릿지 정류기 저항은 통상 제품에 편차는 있지만, 50V@40℃이하에서 0.4V@10uA의 손실이 발생하고 100V가 넘을 때는 50~500uA 의 손실이 발생하게 된다.
만약, 면적이 1/2로 발전소자 대비 감소하여, current 손실이 상대적으로 낮아서 소자당 에너지(PE) 측면에서는 손실이 적다.
도 8은 30x30cm 소자인 A Source, 10x10cm 소자인 B Source는, 5x5cm 소자인 C Source의 전체 블록 발생량을 비교한 표이다.
A Source 소자 발생량이 많지만, AC to DC 변환하기 위한 에너지 손실(power loss) 또한 가장 높으므로 실제 에너지는 1회에 저장에너지는 20.3mW으로 매우 낮다.
하지만, B Source와 C Source는 블록당 에너지 발생량(power/cont)은 각각 1/5, 1/25이지만, AC-DC변환시 변환소자의 에너지 손실(power loss)이 상대적으로 낮으므로 에너지 측면에서만 본다면 A Source와 B Source가 1/2 수준으로 줄어들게 된다.
C Source는 더 작은 손실을 (power loss/cont) 갖지만, 소스 발생에너지(power/cont)가 적기 때문에 전체 에너지(PE) 측면에서는 B Source 보다 낮고 A Source 보다 높다.
이를, 앞서 논의한 블록으로 환산하여 A Source는 블록(piece)가 1개이고, B Source는 블록(piece)가 9개가 되며, C Source는 블록(piece)을 36개로 나뉠 수 있으며, 이들 블록이 내는 총 에너지(Eal)는 B Source가 가장 큰 에너지로 저장할 수 있다.
블록에 존재하는 Source의 소자당 에너지(
Figure 112021130511086-pat00001
)는 소스로부터 발생하는 AC 에너지 발생(
Figure 112021130511086-pat00002
) 그리고 ‘브리지 정류기’ 변환 손실(AC-DC 전환 에너지 손실)을 (
Figure 112021130511086-pat00003
) 이라 할 때 아래 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021130511086-pat00004
Figure 112021130511086-pat00005
변환 손실(AC-DC 전환 에너지 손실)을 (
Figure 112021130511086-pat00006
)에 대해서 아래와 같이 정의할 수 있다. 이때, (
Figure 112021130511086-pat00007
)은 소자의 발생 전압(
Figure 112021130511086-pat00008
)이라 한다면, '브리지 정류기'에서 손실되는 기본 최소 손실 전압(
Figure 112021130511086-pat00009
)이며, 이 값에 손실 전류(
Figure 112021130511086-pat00010
)를 곱하면 '브리지 정류기'로부터 최소손실 에너지(
Figure 112021130511086-pat00011
)로 나타낼 수 있다.
최종 전체에너지는 n개의 전체 합을 'N'이라하고 AC-DC 변환손실후 에너지
Figure 112021130511086-pat00012
라 한다면, 아래 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
P E_ALL =
Figure 112021130511086-pat00013
× N
하지만, 블록 크기가 일정 이하로 감소하면, 블록 개수가 증가하여도 current의 감소 폭이 크기 때문에, 최종 획득에너지(PE_ALL)는 1개 블록보다는 크지만 감소하게 된다.
그래서 단위면적당, 전체 블록 개수(N)가 증가한다고 획득에너지가 무조건 증가하는 것이 아니라 일정 개수부터는 총 획득에너지가 감소하는 TENG(마찰소자) 특성이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수로 분리된 블록을 제안함으로써, TENG 특성으로 인해 단일 구조로 된 블록보다 최대에너지를 획득할 수 있으며, 적절한 개수가 최적의 에너지발생원으로 제시된다.
다수 블록 중에 일부는 발광 다이오드 특성을 이용해, AC를 변환 없이 발광할 수 있고, DC로 변환부를 통해 통신할 수 있다.
도 9는 종래 기술에 따른 보도 블록을 이용한 발광 및 통신을 도시한다.
종래 기술에 따르면 AC 또는 DC로 구성되는 플랫폼으로 구성된다. 종래 기술에 따르면, 적은 발생 에너지를 갖는 TENG 발전소자의 특성상 AC-DC 회로를 통해 변환하여 LED를 발광하고 다시 DC-DC 회로로 통신모듈을 구동하는 방안은 효율성이 낮은 문제점이 있다.
즉, 종래 기술에 따르면 AC 발전소자에서 발생된 에너지를 LED 또는 DC변환을 거치는 구조인 반면, 본 발명의 실시예에 따르면 다단화 된 발전소자를 활용하여 소자 중 일부는 LED로 일부는 DC 변환을 거쳐서 통신모듈로 활용한다.
본 발명의 실시예에 따른 다단화 된 발전소자의 내용은 이후 상세히 서술하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, AC에서 바로 LED로 출력함으로써 변환으로 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있고, 다단화 된 에너지 발전소자에 통신모듈에 필요한 전원을 독립적으로 제공함으로써 LED를 발광으로 인해 모자를 수 있는 통신모듈의 에너지를 별도 관리함으로써 전체 시스템적인 전원 안전성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, DC에 LED와 통신 모듈이 동시에 존재할 경우, 개별 출력에 대한 저장공간 및 여러 가지 보호 회로가 필요하지만, 통신 모듈과 발광부 회로가 분리됨으로써, 내고장성을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 저장소를 1개로 이용해 DC-DC 변환 또는 저장소에서 바로 통신 모듈로 쇼트키 다이오드를 통해 통신모듈로 이용할 수 있게 저장소를 설계 함으로써 효율성을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 에너지원, 센서, 보도블록 및 통신의 4가지 특징을 고려하여 제안된 블록 기반 서비스 모델을 제안하며, 보도에 고정된 보도블록에 내부로 이루어진 발전소자를 누를 때의 압력과 질량에너지로 발생하는 ‘에너지 하베스팅 발전’으로 인한 ‘센싱’ 과 ‘에너지 및 LED 발광’ 그리고 블록에 기구적으로 연결된 무선통신 모듈인 ‘블루투스’가 구성된 외부 전력이 필요 없는 ‘자가발전시스템’을 제안한다.
본 발명의 실시예에 따른 보도블록의 내부 구조는 도 10에 도시한 바와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 보도블록은 발광 소자(201), 마찰전기 발전소자(100), 모듈(200)로 구성된다.
모듈(200)은 AC-DC 변환장치(202), 에너지변환장치(DC-DC)(203), 통신모듈(204)을 포함한다.
마찰전기 발전소자(100)는 다중 소자 구조로 일부는 변환 없이 AC(101)로 발광 소자(201)에 연결되고, AC-DC 변환장치(202)는 마찰전기 발전소자(100)로부터 받은 AC 에너지를 DC로 변환하고, 에너지 저장소(205)를 통해 통신모듈(204)로 직접 에너지를 전달하거나, 에너지변환장치(203)를 통해 통신모듈(204)로 에너지를 전달한다.
통신모듈(204)은 BLE와 같은 근거리 무선 통신을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블루투스 저전력 프로토콜(BLE, Bluetooth Low Energy)의 비컨 표지 기능을 활용하여, 서비스를 제공한다.
비컨 방식은 브로드캐스팅으로 연결하지 않는(connectionless) 방식이며, 주변의 장치에 자신의 존재를 광고하는(advertizing) 데이터를 활용한다.
크기 또한 방식에 따라 다르지만 16바이트 길이 혹은 20바이트를 사용할 수 있고 최근 5.0에 와서는 255바이트(해더 2바이트 제외)까지 전송할 수 있으므로 다양한 형태의 비컨 광고(advertising)가 가능하다.
또한, 블록 중심에 최소 비컨(beacon) 서비스를 활용하면, 1.5mW로 충분히 근거리 정보전달이 되기 때문에 에너지 측면에서 적용 가능하다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다단화 된 발전소자를 이용한 방식을 도시한다.
발광 소자(201)와 바로 연결되는 발전소자 영역은 윗상판 발생 에너지를 활용하여 발광 소자(201)가 발광된다.
발광 후에도 전력이 남게 되면, 다이오드 또는 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)(212)를 통해 저장소에 연결되거나, AC-DC 변환 장치(202)에 연계되어 남은 전력을 제공한다.
AC-DC 변환을 통해 저장소(205)에 전력이 저장되며, 저장소(205)의 요구 전력보다 큰 경우 다이오드 또는 쇼트키 다이오드(223, 224)를 통해 변환된 AC로 제공된다.
다이오드(226)는 역전류 또는 다이오드(223)으로부터 넘어온 전력이 부족할 경우, 에너지를 저장 영역(225)를 통해 특정 전압(voltage)의 전력을 AC(210)로 보낼 수 있다.
저장소(205)의 전력을 DC-DC 변환 없이 보낼 수 있는 영역과 관련하여, 저장소 전력이 DC-DC 변환 전력보다 높지만, 저장소(205))<DC-DC 변환 장치(203) 변환(203)<AC(223) 보낼 전력일 때 활용될 수 있다.
예를 들어, 다이오드 또는 쇼트키 다이오드(223)가 6V 이상이고, DC-DC 변환 IC가 입력 전원 범위가 6~2.2V이고 출력 전원이 1.8V인 Buck-down, 215의 다이오드 혹은 쇼트 키다이오드를 2.1V이고 다이오드 손실을 0.3V, 통신모듈은 1.8V로 동작하는 장치라고 한다. 이 때 발전소자에서 220으로 만약 10V가 넘어온다면 AC-DC를 거처 저장소(205)는 빠르게 전압(voltage)이 증가하게 된다. DC-DC 변환소자가 6V이므로 223의 다이오드 혹은 쇼트키 다이오드의 변환을 통해 AC로 넘어가게 된다. 또한 에너지 출력이 2.1V이라면, 저장소(205)에 연결된 쇼트키 다이오드(215) 에너지를 변환하여 1.8V로 통신모듈(204)에 에너지를 공급한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자가발전을 위한 최대 에너지 획득을 위한 블록 최적화 개수 및 가중치(weight) 연결법을 제안한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다중, 다수개로 구성된 에너지하베스터 소자에 연결한 LED는 AC로, 통신은 DC 회로를 통해, 최적화된 에너지 획득이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 최대에너지 하중지점과 최대에너지 발생지점의 에너지 발생량을 유지하면서, 최소에너지 하중지점의 문제를 해결하기 위해서 국내 블록 규정을 고려하여 수직, 수평 다판 구조의 블록을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 최적 개수 제안을 설명한다.
TENG 특성에 따라 한 개의 발전소자보다는 다수로 구성된 소자가 발전에너지 전환 및 효율 면에서 높은 성능을 제공할 수 있다.
개별 소자를 n이라고 하고, 최적의 개수를 N이라고 한다면, 최적의 개수는 짝수 2, 4, 9, 16, 25, 36개 순으로 증가하며, 그 개수는 n2 으로 나타내며 최적의 개수는 N = n 2 으로 도로블록을 구성하는 단위 발전소자 n에 대한 전력(
Figure 112021130511086-pat00014
)은
Figure 112021130511086-pat00015
로 나타낼 수 있다.
단위 발전소자 n 들에 대한 총전력은 P E_ALL =
Figure 112021130511086-pat00016
× N 으로, 도로 블록이 발생하는 최종 에너지이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 최적 블록 개수 산출을 도시한다.
안전(보도)블록안의 소자 개수를 N 이라 할 때, 안전(보도)블록
Figure 112021130511086-pat00017
이며 정사각형 안전(도로)블록에 소자 개수는
Figure 112021130511086-pat00018
(가로×세로)와 같이 가로와 세로의 곱으로 나타낼 수 있다.
가로와 세로의 개수가 동일하기 때문에 ‘n’ 으로 나타내었고, n-1 은 이전 소자의 개수이다.
n의 초기시작 값은 1로 시작하며, c는 flow를 시작하는 counter이며 0으로 시작한다.
현재 소자(n)의 단위 발전 소자에 대한 전력 (
Figure 112021130511086-pat00019
)을 곱한 총 에너지(
Figure 112021130511086-pat00020
)보다 이전 소자(n-1)에 단위 발전 소자에 대한 전력(
Figure 112021130511086-pat00021
)을 곱한 총 에너지 (
Figure 112021130511086-pat00022
)보다 작을 경우 소자의 개수(n+1)를 증가하며, 카운트 값(c+1)을 올린다.
단위 발전소자의 에너지(
Figure 112021130511086-pat00023
)와 변환을 통한 손실에너지(
Figure 112021130511086-pat00024
)를 손실 비율(
Figure 112021130511086-pat00025
)로 계산하여, 비율이 기설정 값(예: 0.2)보다 클 경우 소자의 개수(n+1)를 증가하며, 카운트 값(c+1)을 올린다. 만약, 카운트 값이 기설정 값(예: 10)보다 같거나 크다면, n이 과도현상의 값으로 정의하고, 소자 개수의 최적 값(n2 = N)으로 나타낸다.
카운트 값이 기설정 값 미만일 경우 소자 에너지 손실 비율(
Figure 112021130511086-pat00026
)과 현재 소자 에너지 손실 비율(
Figure 112021130511086-pat00027
)을 상호 비교하여, 현재 소자가 이전 소자 손실 비율보다 작으면 통과, 클 경우 소자의 개수(n)와 카운트 값을 각각 증가(n+1, c+1)시키며, 반대의 경우 소자 개수의 최적 값(
Figure 112021130511086-pat00028
)으로 나타낸다.
이를 통해 안전(도보)블록에 최적의 값을 개산할 수 있으며, 이 값은 2D를 기준으로 하여 나타내었으며 다층(3D)으로 구성된 소자의 값에서도 동일하게 활용될 수 있다.
이하에서는, 도 13 및 도 14를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스프링을 통한 다층 가중치 연결을 도시한다.
도 13의 블록(201)의 세부 구성은 도 14에 도시한 바와 같다.
다판으로 구성된 에너지하베스터로 구성하며, 실험적 측정 결과 9조각으로 분리되면 가장 큰 에너지를 확보하는 것으로 나타났다.
제안된 다 판으로 구성되는 TENG(마찰소자)는 2~4장으로 구성될 수 있다.
마찰소자는 반드시 양(+)전하, 음(-)전하를 유도하는 1개의 쌍으로 구성된다.
전자가 통하지 않는 부도체(101), 중간 부도체(102)에 양전하 또는 음전하를 유도하는 소자를 붙인다.
스프링 소자(103)은 위에서 안전 보도 블록(201)에 가해지는 힘으로 움직이는 진동 장치로, 이를 통해 양전하 유도 소자(106), 음전하 유도 소자(105)가 맞붙게 되고, 전하는 두 개의 마찰 때문에 양(+)과 음(-)으로 유도 소자에 따라 나열된다.
또한 승강부(104)는 지렛대의 원리로 아래의 판을 위로 올림으로써 전하가 맞붙어져, 작은 공간에 2개의 층에 발전량이 생긴다.
충돌 완충부(107)는 고무 또는 완충 가능한 플라스틱 재질로 구성될 수 있으며, 에너지하베스터 발생소자의 일정 힘보다 큰 힘을 가했을 때 힘에 완충과 흡수를 통해 에너지 발생 소자가 깨지는 것을 방지한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다층 연결을 도시한다.
3층 이상에서 고정판, 이동판이 구비되어, 이동판은 스프링과 연결되어 양쪽 진동에 의해 한번 누르는 시간동안 여러 번 진동함으로써, 낮은 에너지로 눌리는 동안 여러 번 발전량이 생긴다.
외부에서 가해지는 힘은 아래의 층으로 내려갈수록 적으며, 발생에너지를 비교하여 볼 때 아래의 층으로 갈수록 진동의 수직폭은 낮아지지만, 스프링에 의해 발전소자의 진동 횟수는 증가하므로, 고정 장치를 기준으로 상부는 AC 전원을 통해 LED와 연결되고 하부는 DC와 연결되어 에너지 변환 효율성을 높이는 것이 가능하다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈의 활용예를 도시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블루투스 저전력 프로토콜(BLE, Bluetooth Low Energy)의 비컨 표지 기능에 GPS 정보를 가상으로 매핑하여 위치기반 서비스 및 메시지 서비스를 제공한다.
이를 통해서 GPS가 없어도 사용자는 위치정보를 획득할 수 있으며, 실내에서도 가상화된 GPS 정보 또는 위치정보를 제공함으로써 블루투스를 통해 위치정보를 매핑시킬 수 있다.
스마트폰의 어플을 통해 가상화 된 GPS 정보를 사용자 프로그램에 GPS와 같은 형태로 제공할 수 있어, 서비스 제공이 가능하다.
도 17에 도시한 바와 같이, 보도 블록의 GPS와 서비스를 지정하고(S1701), 보도 블록의 실제 GPS 정보를 비컨에 가상GPS 위치 동기화한다(S1702).
주변과 연계 서비스 정보를 활용하여(S1703), 사용자가 블록을 밟으면 압력에 의한 발전이 이루어지고(S1704), 미리 입력된 블록 내부 내장된 통신모듈에서 가상 GPS와 서비스 정보 방송을 수행한다(S1705).
단말기의 메시지가 수신되면, 스마트 단말기에서 가상 GPS 수신 정보를 이용한 서비스를 제공한다(S1706).
도 18에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈은 신호등 보행자, 보도블록의 위치 서비스, 밤길 LED 안전서비스 등 다양한 곳에 활용할 수 있다.
또한, 도 19에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 버스정류장 근처에 설치할 경우, 안전(보드) 블록 정보를 버스정류장에 안내 서비스와 연동할 수 있다.
근처 청각 장애인이 해당 블록 밟으면, 해당 블록이 스마트폰에 메시지를 보내고, 스마트폰 메시지에서 설정한 사용자의 교통정보를 버스 안내 서비스와 연계하여 음성으로 제공하는 등 메시지 형태에 따라서 다양한 확장 서비스를 제공하는 것이 가능하다.
종래 기술에 따르면, 보도블록이 센서 또는 발전장치로 제안되어 UUID, RSSI 값을 분석하여 위치기반 서비스를 제공하거나 자가발전을 통한 LED 발광을 제안함에 그치는 반면, 본 발명의 실시예에 따르면 블록의 고정 위치 특성 및 에너지하베스터를 발전과 센서 근간으로 근거리통신까지 연동 활용하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 지면에 고정된 블록이므로 GPS 또는 위치정보를 BLE 비컨에 대치함으로써 사용자가 블루투스를 이용해 위치정보나 GPS 정보를 수신하고, 스마트폰을 통해 사용자의 정확한 위치를 표기할 수 있으며, 블록에 가해지는 외부 충격 또는 질량을 에너지로 변환하여 배터리 없이도 적용할 수 있다는 장점이 있으며, 실내에서도 동일하게 활용 가능한 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, BLE 비컨의 메시지 255바이트를 활용할 수 있으므로 수천 개, 수만 개의 블록에도 각각 개별적인 위치기반의 서비스 제공이 가능하며, GPS 정보를 매핑할 수 있을 뿐만 아니라 알람 정보도 제공하는 것이 가능한 장점이 있다.
종래 기술에 따르면, 단일 블록구조전력의 변화폭이 커짐에 따라서, 넓은 범위에 발생하는 전류와 전압을 고려해야 함으로써 AC에서 DC로 변환되는 전력 손실이 증가되는 문제점이 있다.
블록 크기가 일정 이하로 감소하면, 블록 개수가 증가하여도 current의 감소 폭이 크기 때문에, 최종 획득에너지(PE_ALL)는 1개 블록보다는 크지만 감소하게 된다.
즉, 단위면적당, 전체 블록 개수(P N )가 증가한다고 획득에너지가 무조건 증가하는 것이 아니라 일정 개수부터는 총 획득에너지가 감소하는 TENG(마찰소자) 특성을 가지게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, TENG 특성으로 인해 단일 구조로 된 블록보다 다수블록을 이용한 방안을 제시하여, 최대 에너지를 획득하며 적절한 모듈 개수를 최적의 에너지 발생원으로 제시한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 블록에서 위에 상판은 AC으로 활용하고, 하판은 AC-DC로 변환하여 통신할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 메시지 기반 서비스는 안전(보도)블록에 따라 시장 장애인 또는 청각 장애인에게도 다양한 서비스를 제공하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 이용한 서비스 제공 방법은 컴퓨터 시스템에서 구현되거나, 또는 기록매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 적어도 하나 이상의 프로세서와, 메모리와, 사용자 입력 장치와, 데이터 통신 버스와, 사용자 출력 장치와, 저장소를 포함할 수 있다. 전술한 각각의 구성 요소는 데이터 통신 버스를 통해 데이터 통신을 한다.
컴퓨터 시스템은 네트워크에 커플링된 네트워크 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 중앙처리 장치(Central Processing Unit (CPU))이거나, 혹은 메모리 및/또는 저장소에 저장된 명령어를 처리하는 반도체 장치일 수 있다.
메모리 및 저장소는 다양한 형태의 휘발성 혹은 비휘발성 저장매체를 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리는 ROM 및 RAM을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 이용한 서비스 제공 방법은 컴퓨터에서 실행 가능한 방법으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 이용한 서비스 제공 방법이 컴퓨터 장치에서 수행될 때, 컴퓨터로 판독 가능한 명령어들이 본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 이용한 서비스 제공 방법을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈을 이용한 서비스 제공 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

Claims (6)

  1. 하우징 내 상면과 하면을 구성하고, 동일 전하 유도 소자 간 공간을 분리하는 비전도성 가이드;
    상기 하우징 내에 배치되는 마찰전기 발전 소자;
    보도 블록에 가해지는 힘에 의해 압축되는 스프링 소자;
    상기 스프링 소자에 의해 일측이 눌러지며, 타측과 연결된 상기 하면의 비전도성 가이드를 상승시키는 승강부를 포함하고,
    상기 비전도성 가이드는 상기 스프링 소자와 연결되지 않은 고정판과 상기 스프링 소자와 연결된 이동판으로 구성되고, 상기 이동판은 상기 스프링의 진동에 따라 상기 마찰전기 발전 소자가 맞닿도록 이동되는 것
    인 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    단일 보도 블록 내 포함되는 단위 발전 소자의 개수, 단위 발전 소자의 에너지, 변환을 통한 손실 에너지를 고려한 결과에 따라, 단일 보도 블록 내에서 9개의 조각으로 포함되는 것
    을 특징으로 하는 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보도 블록에 의해 가해지는 힘에 의해 상기 마찰전기 발전소자가 맞닿는 경우 충돌을 완충하는 충돌 완충부
    를 더 포함하는 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상면 및 고정판과 연결된 상기 마찰전기 발전 소자를 포함하는 상부 영역은 AC 전원을 통해 발광 소자와 연결되고, 상기 하면 및 이동판과 연결된 상기 마찰전기 발전 소자를 포함하는 하부 영역은 DC와 연결되는 것
    인 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    DC 전원을 수신하여 근거리 무선 통신을 수행하는 통신모듈을 더 포함하고,
    상기 통신모듈은 비컨에 GPS 정보를 가상으로 매핑하여 위치기반 서비스와 관련한 메시지를 전송하는 것
    인 보행자 안전을 위한 자가발전 보도블록 모듈.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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