KR102610913B1 - 진동원과 풍력원을 사용하는 하이브리드 자가발전 장치 및 이를 이용하는 무선 센서 - Google Patents

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Abstract

진동원과 풍력원을 사용하는 하이브리드 자가발전 장치 및 이를 이용하는 무선 센서가 개시된다. 하이브리드 자가발전 장치는, 기계장치에 설치되어 기계장치의 작동이나 운행 시에 생성되는 진동에너지를 제1 전기에너지로 변환하는 진동원발전기, 기계장치의 주변에 생성되는 공기의 운동에너지를 제2 전기에너지로 변환하고 공기조절부를 구비하는 풍력원발전기, 및 제1 전기에너지와 제2 전기에너지를 저장하는 전력저장부를 포함하고, 여기서 풍력원발전기는 공기조절부의 작동에 의해 기계장치의 속도에 따라 자동으로 작동 또는 정지한다.

Description

진동원과 풍력원을 사용하는 하이브리드 자가발전 장치 및 이를 이용하는 무선 센서{HYBRID SELF GENERATOR USING VIBRATION SOURCE AND WIND SOURCE AND WIRELESS SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 열차 등의 기계장치의 주행부에 장착되는 저전력 무선센서에 전원을 공급하기 위해 기계장치의 작동 시에 생성되는 진동원과 풍력원을 활용해서 전력을 생산하는 하이브리드 방식의 자가발전 장치 및 이를 이용하는 무선 센서에 관한 것이다.
열차의 안전운행을 위해서는 대차의 진동과 발열상태를 지속적으로 모니터링하는 저전력 무센센싱 시스템이 적용되어야 하나, 화물열차 및 기존의 레거시(legacy) 열차에는 전원이 공급되지 않아 자가발전 기술로 전원을 생성하여 사용해야 한다.
열차의 이동으로 발생되는 에너지원을 활용하여 자가발전을 하는 기술로서는 진동원을 사용하는 자가발전 기술이 개발 또는 시범서비스 중에 있다. 진동원을 사용하여 전원을 사용하는 기술은 열차의 속도가 일정 기준에 도달해야 무선센서 장치가 구동될 수 있는 전력을 생성할 수 있어, 그 이하의 열차 속도에서도 안정적인 전력을 생성할 수 있는 기술이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열차의 안전운행을 위해 열차 부품의 상태를 모니터링하기 위한 무선 센서가 전원이 공급되지 않는 열차의 대차부에 설치될 때 무선 센서에 결합하여 진동과 온도를 측정하는데 필요한 자가 전력을 발생시켜 공급하는 자가발전 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열차의 속도에 따라 저속에서는 풍력을 활용해서 전원을 생성하고, 일정속도 이상에서는 진동원을 활용해서 전원을 생성시키는 하이브리드 전원 생성장치 또는 하이브리드 자가전원 발생장치를 제공하는데 있다. 즉, 열차 이동시에 생성되는 에너지원으로는 진동과 풍력이 있으며, 현재 진동 에너지원을 사용해서 발전하는 기술이 개발되고 있으나, 진동원만을 사용하는 경우 열차가 저속으로 이동할 때에는 발전을 할 수 있을 만큼의 충분한 양의 진동이 발생하지 않으므로 지속적인 모니터링을 수행하는데 어려움이 따르게 되며, 따라서 열차의 주행에 따라 풍력원을 활용하여 저속에서도 전력을 생산할 수 있는 하이브리드 자가발전 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다음과 같다. 즉, 열차의 안전운행 확보 및 유지보수 절감을 위해서는 열차 차량의 주행부에 발열 및 진동을 상시 모니터링하는 저전력 센서(일례로, IoT 센서)를 장착하여 실시간으로 주행부의 온도 및 진동데이터를 측정하고자 할 때, 전원이 공급되지 않는 열차의 대차부에 장착되는 저전력 센서를 구동하기 위한 전원을 자체 생성하기 위한 에너지 하베스터(자가발전)의 구조를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 하이브리드 자가발전 장치를 이용하는 무선 센서를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 하이브리드 자가발전 장치는, 진동 에너지원을 사용하는 자가발전기와 풍력원 기반의 자가발전기를 구비하고, 열차의 이동속도를 공기의 흐름으로 측정하여 풍력 자가발전기의 구동을 제어하고, 진동 에너지원을 사용하는 자가발전기와 풍력원 기반의 자가발전기의 생성전력을 결합하여 안정적인 전력을 생성시킨다.
여기서, 풍력원을 사용하여 자가발전하는 경우, 열차의 속도가 고속으로 진입하여 장시간 전력을 생성하게 되면 풍력원 기반의 자가발전기의 내구성 단축 및 열차의 공기저항성의 증대원인이 발생하게 되므로, 저속에서는 풍력원을 사용해서 전력을 생산하고, 고속에서는 진동원을 사용해서 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 열차 운행상태를 모니터링하기 위한 저전력 무선센서를 구동하는데 필요한 전력을, 열차의 주행에 따라 발생하는 진동원과 풍력원을 독립적으로 사용할 수 있다.
여기서, 열차의 저속에서는 풍력원 기반의 자가발전기를 사용하면서 진동원 기반의 자가발전기를 구동시켜 전력을 생산하여 통합시킬 수 있다.
여기서, 열차의 속도가 특정속도 범위를 초과하는 경우, 풍력원 기반의 자가발전기의 내구성 증대를 위해 구동을 중지시킬 수 있다.
여기서, 열차의 주행속도에 따른 풍속을 측정하여 풍력원 기반의 자가발전기의 구동을 제어할 수 있다.
여기서, 풍력원 기반의 자가발전기는 열차의 대차에 장착되어 열차의 진행방향에 무관하게 상시 구동될 수 있도록 좌측 및 우측 공기조절부를 장착할 수 있다.
여기서, 풍력원 기반의 자가발전기는 열차의 풍력의 범위를 측정하기 위해 프로세서를 사용하지 않으며 저속에서 긴 범위로 이동하는 제1 장력 스프링과 고속에서 긴 범위로 이동하는 제2장력 스프링을 사용할 수 있다.
여기서, 풍력원 기반의 자가발전기(풍력발전기)는 풍력발전기에 인입되는 공기의 흐름을 차단하기 위한 제1 및 제2공기 차단벽을 구비할 수 있다.
여기서, 풍력원 기반의 자가발전기는 열차의 주행에 따라 인입되는 공기의 흐름을 집속하고 공기에 혼합된 수분을 제거하여 자가발전기의 회전자를 구동하기 위한 회전날개에 공기를 공급하기 위한 공기반사파와 공기토출구 구조(공기조절부)를 구비할 수 있다.
여기서, 풍력원 기반의 자가발전기는 열차의 진행방향에 무관하게 1개의 회전날개만을 사용하는 풍속발전기를 포함할 수 있다.
여기서, 진동원 기반 자가발전기와 풍속원 기반 발전기의 출력 전원은 직류상태로 결합할 수 있다.
여기서, 풍력원 및 진동에너지의 과도한 공급으로부터 하이브리드 자가발전기를 보호하기 위해 공통의 과충전 보호회로를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 자가발전 장치는, 기계장치에 설치되어 기계장치의 작동이나 운행 시에 생성되는 진동에너지를 제1 전기에너지로 변환하는 진동원발전기, 기계장치의 주변에 생성되는 공기의 운동에너지를 제2 전기에너지로 변환하고 공기조절부를 구비하는 풍력원발전기, 및 제1 전기에너지와 제2 전기에너지를 저장하는 전력저장부를 포함하고, 여기서 풍력원발전기는 공기조절부의 작동에 의해 기계장치의 속도에 따라 자동으로 작동 또는 정지할 수 있다.
여기서, 하이브리드 자가발전 장치는 기계장치의 제1 속도 이상 및 제2 속도 이하인 제1 구간에서 풍력원발전기와 진동원발전기를 모두 작동시키고, 제2 속도를 초과하고 기계장치의 최대 속도 이하인 제2 구간에서 진동원발전기만을 작동시킬 수 있다.
여기서, 하이브리드 자가발전 장치는 기계장치의 제1 속도 이상 및 제2 속도 이하인 제1 기간에서 풍력원발전기만을 작동시키고, 제2 속도를 초과하고 기계장치의 최대 속도 이하인 제2 기간에서는 진동원발전기만을 작동시킬 수 있다.
여기서, 풍력원발전기 또는 진동원발전기에서 생성되는 전력이나 전력저장부에 저장되는 전력은 기계장치에 설치되는 무선 센서의 전원으로 공급될 수 있다.
여기서, 공기조절부는, 내부 공간, 내부 공간의 일측에 공기흡입부, 및 상기 내부 공간의 타측에 공기토출부를 구비하는 하우징; 일측과 타측 사이에서 내부 공간을 분할하는 형태로 설치되며 일측과 타측 사이의 공기 유동을 허용하는 제1 차단벽; 일측과 제1 차단벽 사이에서 내부 공간을 분할하는 형태로 설치되며 일측과 타측 사이의 공기 유동을 허용하는 중앙홀을 구비하는 제2 차단벽; 제1 차단벽과의 사이에 제1 장력스프링을 게재하고 배치되며, 제1 장력스프링의 장력이 제1 압력 이하일 때 중앙홀을 타측에서 막는 제1 공기센서판; 제1 차단벽과 제1 공기센서판 사이의 간격에 대응하는 간격을 두고 제1 공기센서판 상에서 일측 방향으로 배치되며, 제1 장력스프링의 장력이 제2 압력 이상일 때 중앙홀을 일측에서 막는 제2 공기센서판을 포함할 수 있다.
여기서, 공기조절부는 하우징의 제1 차단벽과 제2 차단벽 사이의 내벽에 돌출되어 일측에서 타측으로 유동하는 공기를 가이드하는 공기반사기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 공기조절부는 풍력원발전기의 회전날개를 사이에 두고 서로 마주하는 제1 공기조절부와 제2 공기조절부를 포함할 수 있다.
여기서, 풍력원발전기는, 회전날개, 회전날개에 결합하는 회전자, 회전자를 둘러싸는 고정자, 및 회전자 또는 고정자에 감긴 코일을 구비하는 풍력발전부; 회전날개에 공기를 공급하는 공기조절부; 및 풍력발전부에서 출력되는 교류 전류를 정류하는 제1 정류부를 포함할 수 있다.
여기서, 진동원발전기는, 일방향으로 진동하는 진동자; 일방향과 직교하거나 교차하는 원형 또는 다각형 면들을 형성하도록 진동자의 주위에 배치되는 권선 코일; 권선 코일을 지지하는 고정자를 구비하는 진동발전부; 및 진동발전부에서 출력되는 교류 전류를 정류하는 제2 정류부를 포함할 수 있다.
여기서, 전력저장부는 제1 정류부에서 출력되는 제1 직류와 제2 정류부에서 출력되는 제2 직류를 저장하는 슈퍼커패시터를 포함할 수 있다. 구현에 따라서, 제1 정류부 및 제2 정류부 중 적어도 어느 하나의 출력단에는 평활부가 추가로 설치될 수 있다.
여기서, 하이브리드 자가발전 장치 또는 전력저장부는, 슈퍼커패시터의 양단이 부하에 병렬로 연결될 때, 슈퍼커패시터와 부하와의 사이에서 슈퍼커패시터의 양단에 병렬 연결되는 보호회로를 더 포함할 수 있다. 보호회로는 과충전 보호회로 또는 과방전 보호회로를 포함할 수 있다.
여기서, 전력저장부는, 제1 정류부에서 출력되는 제1 직류를 저장하는 제1 슈퍼커패시터; 제2 정류부에서 출력되는 제2 직류를 저장하는 제2 슈퍼커패시터; 및 제1 슈퍼커패시터와 제2 슈퍼커패시터 중 어느 하나를 부하에 연결하는 스위칭 회로를 더 포함할 수 있다.
여기서, 하이브리드 자가발전 장치 또는 풍력원발전기는, 풍력원발전기의 작동 상태에 따라 스위칭 회로의 작동 모드를 변환하기 위한 제어신호를 생성하거나 출력하는 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 실시예들 중 어느 하나의 하이브리드 자가발전 장치; 및 하이브리드 자가발전 장치의 전원에 의해 동작하는 센서장치를 포함하는 무선 센서가 제공된다.
여기서, 무선 센서는 하이브리드 자가발전 장치의 전원에 의해 동작하는 통신장치를 더 포함할 수 있다. 통신장치는 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다.
여기서, 하이브리드 자가발전 장치는 열차의 주행 중에 생성되는 풍력원과 진동원을 이용하여 발전을 수행할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 하이브리드 자가발전 장치를 이용하는 경우에는, 열차의 안전운행에 필요한 센서의 전원을 외부에서 공급하지 않고, 열차 주행에 따라 생성되는 진동에너지와 풍력에너지원을 사용하여 자가 발전하여 공급할 수 있고, 이러한 하이브리드 자가발전 장치에 결합하여 상대적으로 영구적으로 구동하는 열차 상태 모니터링용 센싱 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 열차의 주행속도에 무관하게 항상 자가 발전하여 센서에 전원을 공급하는 기술을 통해 열차의 주행상태를 실시간으로 영구적으로 모니터링할 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
또한, 비 또는 눈 등과 같이 열차의 주행환경에 무관하게 실질적으로 영구히 구동가능한 하이브리드 자가발전 장치와 이를 구비하는 무선 센서를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 열차 주행부의 진동 및 발열 상태를 지속적으로 모니터링하여 열차의 안전운행을 감시하고 문제 발생 시 이를 실시간으로 모니터링하여 경보 등을 발생시킬 수 있는 안전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치를 채용할 수 있는 열차 무선 센싱 시스템의 네트워크 개념도이다.
도 2는 도 1의 열차 무선 센싱 시스템에 채용할 수 있는 센서유닛의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 자가발전부의 동작 상태도이다.
도 5는 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 풍력원 기반 발전부의 일부 구성에 대한 상세 구조도이다.
도 6은 도 5의 풍력원 기반 발전부의 공기조절부를 공기흡입부 측에서 바라 본 정면도이다.
도 7은 도 6의 공기조절부의 변형예를 나타낸 예시도이다.
도 8은 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 풍력원 기반 발전부의 다른 일부 구성과 진동원 기반 발전부에 대한 상세 구조도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치에 채용할 수 있는 풍력원 기반 발전부와 진동원 기반 발전부의 결합 구조를 설명하기 위한 구조도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치를 채용할 수 있는 열차 무선 센싱 시스템의 네트워크 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치(이하, 간략히 '자가발전기'라고 한다)는 열차(1000)에 탑재될 수 있고, 좀더 구체적으로는, 열차의 상태를 모니터링하는 센서(100, 200, 300 또는 400)에 탑재될 수 있다. 센서들(100, 200, 300, 400)은 센서노드들 또는 센서유닛들로서 열차(1000) 내에서 무선 센서 네트워크(wireless sensor network, WSN)를 형성할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같은 에너지하베스터(자기발전) 기반의 열차 무선 센서 네트워크에서 열차의 안전운행을 위해서 열차 대차부의 열과 진동을 실시간으로 모니터링 하기 위한 센서노드들(100, 200, 300, 400)이 차량의 하부에 설치되며, 각 센서노드는 WSN 코디네이터(600) 또는 WSN 게이트웨이(500)와 무선으로 연동될 수 있다.
WSN 코디네이터(600)에서 수신한 센싱 데이터는 WSN 게이트웨이(500)를 통해 무선 방식으로 인터넷망과 접속을 통해 센서 감시 센터(700)로 전달되어 열차의 안전 운행 상태를 분석하는데 사용될 수 있다. 무선 방식은 3GPP LTE, LTE-R, Wi-Fi 등을 포함할 수 있다.
도 1의 무선센서들(100, 200, 300, 400)은 실질적으로 동일한 구성을 구비할 수 있으므로, 이하에서는 하나의 센서유닛인 무선센서(100)에 대하여만 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 열차의 무선 센서 시스템에 채용할 수 있는 센서유닛의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 센서시스템(100)은 에너지하베스터(energy harvestor, 10), 센서장치(110) 및 통신장치(120)를 포함한다. 센서시스템(100)은 무선센서, 무선 센싱 장치, 무선 센싱 시스템 등으로 지칭될 수 있다.
에너지하베스터(10)는 열차의 이동에 따라 생성되는 풍력과 진동을 활용하여 전력을 생성한 후 생산한 전력을 센서장치(110) 및 통신장치(120)에 공급한다. 이때, 에너지하베스터(10)는 열차의 속도에 따라 풍력 단독, 풍력과 진동의 조합, 또는 진동 단독을 사용하여 전력을 발생시킬 수 있다. 특히, 에너지하베스터(10)는 열차의 운행 구간에 따라 거의 일정하게 생성되는 진동원을 고려하여 열차의 운행 구간에 따라 위의 3가지 작동 모드들 중 어느 하나로 동작하도록 설정될 수 있다.
에너지하베스터(10)는 기계적인 진동(mechanical vibration)을 압전 변환기(piezoelectric transducer) 등을 통해 전기적 에너지로 변환하는 제1 발전기와 바람(Wind)의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 제2 발전기를 포함할 수 있다. 제2 발전기는 DC/AC 발전기를 포함할 수 있다. 제1 발전기와 제2 발전기를 서로 연결되어 동일한 에너지 저장 장치에 전력을 저장할 수 있다.
센서장치(110)는 열차의 대차부에 설치되고 에너지하베스터(10)로부터 전력을 공급받아 대차를 모니터링할 수 있다. 대차는 높은 물리력을 받는다. 즉, 열차 운행시에 대차는 엄청난 중량을 감당할 뿐만 아니라 타이어와 베어링에는 제동력, 가속력 및 원심력이 작용할 수 있다. 그러한 이유로, 센서장치(110)는 열차 내 주행 장치의 마모 및 소재 피로를 조기에 감지하기 위해 사용될 수 있다. 센서장치(110)는 대차에서의 속도, 회전 속도, 가속도, 온도, 열 등을 센싱할 수 있다.
이러한 센서장치(110)는 철도 차량의 극심한 환경 조건에 견딜 수 있어야 한다. 철도 차량은 기관차, 견인장치, 열사 세트, 화차 등을 포함할 수 있고, 극심한 환경 조건은 열기, 냉기, 큰 온도 변화, 습기, 높은 대기 중 습도, 분진, 자갈의 충격 등을 포함할 수 있다.
또한, 센서장치(110)는 구현에 따라서 열차의 제어를 위한 다양한 센서들 중 적어도 하나와 결합하는 형태로 배치될 수 있다. 다양한 센서들은 브레이크 컨트롤을 위해 회전 속도를 획득하는 센서 등을 포함할 수 있다. 이러한 센서장치(110)는 통신장치(120)를 통해 열차의 제어시스템이나 열차 관제 시스템과 연결되어 신호 또는 데이터를 송수신할 수 있으며, 신호 또는 데이터에 포함된 입력 제어신호에 응하여 미리 정해진 출력신호를 발생시킬 수 있다.
통신장치(120)는 3GPP, LTE, LET-R(철도전용통합무선망), 국가재난안전통신망 등을 통해 무선으로 데이터를 주고받을 수 있는 송수신기를 구비할 수 있다. 통신장치(120)는 적어도 하나의 무선 방식에 따른 적어도 하나의 통신 모듈을 내장하고 센서장치(110)에서 외부 인터페이스 또는 통신 인터페이스를 통해 획득한 데이터 신호를 외부의 장치(센서감시센터 등)로 전송할 수 있다.
LET-R 모듈을 탑재한 경우, 통신장치(120)는 3GPP-UTRA Release 9 호환 규격을 지원하고, UL(up link)속도 718~728㎒, DL(down link)속도 773~783㎒, 채널 대역폭 3/5/10㎒, 변조방식(modulation) QPSK/16QAM/64QAM(DL), QPSK/16QAM(UL), 처리능력(throughput) 75Mb㎰(BW10㎒)(DL), 25Mb㎰(BW10㎒)(UL), 무선채널수(RF Paths) 2xRx/1xTx, 수신감도(Rx sensitivity) -93.5㏈m, 최대송신전력(Mas Tx Power) 25㏈m, MIMO-DL(SU, MU), MIMO-UL(MU), 말단간 지연(End to End Delay) 350㎳ 이하, 인증(Authentication) UICC 등을 규격을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치는 풍력원 기반 발전부(20), 진동원 기반 발전부(30) 및 전력저장부(40)를 포함한다. 풍력원 기반 발전부(20)는 제1 발전기에 대응하고, 진동원 기반 발전부(30)는 제2 발전기에 대응할 수 있다. 풍력원 기반 발전부(20)는 풍력원발전기로, 진동원 기반 발전부(30)는 진동원발전기로 각각 지칭될 수 있다.
풍력원 기반 발전부(20)는 풍력발전부(22), 제1 공기조절부(23), 제2 공기조절부(24), 제1 정류부(26) 및 제1 평활부(28)를 포함할 수 있다. 제1 공기조절부(23) 및 제2 공기조절부(24)는 풍력발전부(22)의 좌측과 우측에 각각 배치될 수 있다. 물론, 구현에 따라서, 제1 공기조절부(23) 및 제2 공기조절부(24) 중 하나는 생략될 수 있다.
풍력발전부(22)는 블레이드와 결합하는 회전자와 회전자가 회전가능하게 결합하는 고정자를 포함하는 구조를 구비할 수 있다. 이러한 풍력발전부(22)는 제1 및/또는 제2 공기조절부(23 및/또는 24)에서 공급되는 바람 에너지를 블레이드의 회전에 따라 회전하는 회전자와 회전자의 회전에 의해 고정자에 배치된 코일에 전기 에너지가 유도되는 구조를 구비할 수 있다.
제1 정류부(26)는 풍력발전부(22)에서 생성되는 교류 전력을 정류하여 직류 전력을 생성한다. 제1 정류부(26)는 브릿지 다이오드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 평활부(28)는 제1 정류부(26)에서 출력되는 맥류를 상대적으로 평평한 직류로 변환한다. 제1 평활부(28)에서 출력되는 전력은 전력저장부(40)에 저장될 수 있다.
진동원 기반 발전부(30)는 진동발전부(32), 제2 정류부(36) 및 제2 평활부(38)를 포함할 수 있다. 제2 평활부(38)는 제2 정류부(36)의 구조나 정류 방식 등에 따라 생략될 수 있다.
진동발전부(32)는 열차의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 진동발전부(32)는 압전(piezoelectric) 방식, 정전(electrostatic) 방식, 전자기(electromagnetic) 방식 등을 사용하여 구현될 수 있다. 휨에 대한 자기발전(energy havesting)은 전자기 방식이 가장 좋고, 입력 힘에 대한 자기발전은 압전 방식이 가장 좋으며, 전력 밀도는 압전 방식이 가장 좋다. 따라서, 본 실시예의 진동발전부(32)는 고효율 자기발전을 고려하여 압전 방식이나 압전 방식과 다른 방식의 조합으로 구현될 수 있다.
제2 정류부(36)는 진동발전부(32)에서 생성되는 교류 전력을 정류하여 직류 전력을 생성한다. 제2 정류부(36)는 브릿지 다이오드를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제2 평활부(38)는 제2 정류부(36)에서 출력되는 맥류를 상대적으로 평평한 직류로 변환한다. 제2 평활부(38)에서 출력되는 전력은 전력저장부(40)에 저장될 수 있다.
전력저장부(40)는 풍력원 기반 발전부(20)에서 생성되는 전력을 저장하고, 진동원 기반 발전부(30)에서 생성되는 전력을 저장할 수 있다. 전력저장부(40)는 슈퍼커패시터, 리튬전지, 나트륨황전지, 리독스플로 전지 등이 사용될 수 있다. 또한, 전력저장부(40)는 저장된 전력을 센서시스템의 전력으로 공급할 수 있다.
본 실시예에서 전력저장부(40)는 풍력원 기반 발전부(20) 및 진동원 기반 발전부(30)와는 별도의 구성요소로 배치되나, 그러한 구성으로 한정되지 않고, 풍력원 기반 발전부(20)에 포함되거나, 진동원 기반 발전부(30)에 포함되거나, 이둘 모두에 공유 형태로 포함될 수 있다.
본 실시예에서, 풍력원 기반 발전부(20)의 발전 전력과 진동원 기반 발전부(30)의 발전 전력은 서로 병렬 연결되어 상호 보완적으로 무선센서에 전력을 공급할 수 있다.
열차의 차량은 기관차의 진행 방향에 따라 주행 방향이 결정되므로, 제1 공기조절부(23)와 제2 공기조절부(24)는 풍력원 기반 발전부(20)의 좌측과 우측에 각각 배치될 수 있고, 풍력발전부(22)는 공기조절부로부터 인입되는 풍력원을 기반으로 전력을 생산할 수 있다. 제1 정류부(26)와 제1 평활부(28)는 풍력발전부(22)에서 생성된 교류 전력을 양질의 직류 전력으로 변환하여 전력저장부(40)에 저장할 수 있다. 또한, 열차의 속도에 따라 진동발전부(32)가 풍력발전부(22)와 함께 혹은 단독으로 작동하여 열차로부터의 진동 에너지를 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 제2 정류부(36)와 제2 평활부(38)는 진동발전부(32)에서 생성된 교류 전력을 양질의 직류 전력으로 변환하여 전력저장부(40)에 저장할 수 있다.
도 4는 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 자가발전부의 동작 상태도이다.
본 실시예에 따른 자가발전부는 풍력발전부와 진동발전부를 포함할 수 있다. 자가발전부에서 풍력발전부와 진동발전부의 동작 상태를 나타내면 도 4에 나타낸 바와 같다.
도 4를 참조하면, 열차가 출발하여 가속이 되기 시작하여 제1 속도(v1)에 다다르면, 풍력발전부와 진동발전부가 구동하기 시작하여 각각 전력을 생산할 수 있다.
열차가 제2 속도(v2)를 낼 때까지 즉, 제1 속도와 제2 속도의 구간(v1-v2)에서는 진동발전부가 무선 센서를 구동할 만큼 충분한 양의 전력을 생성하기 어려운 상태이므로, 풍력발전부를 가동한다. 풍력발전부는 열차의 가속에 따라 높은 전력을 생성할 수 있으므로, 2개의 발전부의 출력 전력을 더하여 무선센서에 전력을 공급할 수 있다.
그리고 열차가 제2 속도를 넘어 최대 속도(V-max)를 내는 구간에서는 풍력발전부의 작동을 중지시키고, 진동발전부만을 구동하여 전력을 생산할 수 있다. 이때, 풍력발전부에 바람을 공급하는 공기조절부의 흡입구는 외부에 유입되는 바람인 물체의 충격에 의한 공기조절부의 파손을 방지하고 열차에 대한 공기 저항을 감소시킬 수 있도록 개폐가능하게 설치되는 별도의 덮개로 덮일 수 있다.
도 5는 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 풍력원 기반 발전부의 일부 구성에 대한 상세 구조도이다. 도 6은 도 5의 풍력원 기반 발전부의 공기조절부를 공기흡입부 측에서 바라 본 정면도이다. 도 7은 도 6의 공기조절부의 변형예를 나타낸 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력원 기반 발전부는, 풍력발전부(22), 제1 공기조절부(23), 제2 공기조절부(24), 제1 정류부(26) 및 제1 평활부(28)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 먼저 풍력발전부(22), 제1 공기조절부(23) 및 제2 공기조절부(24)를 설명하고, 제1 정류부(26) 및 제1 평활부(28)는 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
풍력발전부(22)는 영구자석으로 이루어진 회전자(222), 회전자(222) 주위를 둘러싸도록 배치되고 코일(223)을 통해 유기 기전력을 발생시키는 고정자(224), 및 회전자(222)에 결합하고 제1 및 제2 공기조절부(23, 24)의 각 공기토출부(235)로부터 공기를 받아들여 회전하는 회전날개(226)를 구비한다. 풍력발전부(22)는 회전날개(226)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 풍력발전부(22)에서 발생되는 교류 전류는 코일에 연결되는 단자들(227, 228)에 의해 출력될 수 있다.
풍력발전부(22)에서 발생되는 교류 전류는 제1 정류부 및 제1 평활부에 의해 양질의 직류 전류로 변환되어 전력저장부에 저장될 수 있다.
제1 공기조절부(23)는 풍력발전부(22)의 회전날개(226)의 일측(예컨대, 좌측)에 배치되어 열차의 운행 시에 유입되는 바람을 회전날개에 공급할 수 있다. 이와 유사하게, 제2 공기조절부(24)는 풍력발전부(22)의 회전날개(226)의 타측(예컨대, 우측)에 배치되어 열차의 운행 시에 유입되는 바람을 회전날개에 공급할 수 있다. 제1 및/또는 제2 공기조절부(23 및/또는 24)는 풍력발전부(22)에서 풍력을 활용해서 발전을 하는데 필요한 공기 흐름 및 발전기의 동작시간을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 공기조절부(23)와 제2 공기조절부(24)는 실질적으로 동일한 구조와 기능을 수행하므로 이하에서는 제1 공기조절부(23)를 중심으로 기술한다.
제1 공기조절부(23)는 하우징(230), 제1 차단벽(232), 제2 차단벽(233), 공기흡입부(234), 공기토출부(235), 제1 장력스프링(236), 제1 공기센서판(237), 제2 장력스프링(238), 제2 공기센서판(239) 및 공기반사기(240)를 포함한다.
도 5와 함께 도 6 및 도 7을 참조하면, 하우징(230)은 공기흡입부 측에서 볼 때 그 단면이 타원이나 원 형태(도 6 참조) 또는 사각이나 판 형태(도 7 참조)를 구비하는 중공 부재로 구성될 수 있다. 물론, 중공 부재의 적어도 일면은 열차나 대차부의 외벽 혹은 외표면으로 형성될 수 있다. 하우징(230)의 중공부 일측에는 제1 단면적을 가진 공기흡입부(234)가 형성되고, 하우징(230)의 중공부 타측에는 제1 단면적에 비해 상당히 작은 제2 단면적을 가진 공기토출부(235)가 배치될 수 있다. 공기토출부(235)는 풍력발전부(22)의 회전날개(226)와 마주하도록 배치될 수 있다.
제1 차단벽(232)은 하우징(230)의 중공부 즉 내부 공간에서 공기토출부(235) 측에 설치되어 내부 공간을 분할할 수 있다. 또한, 제1 차단벽(232)은 적어도 일부가 공기 유동이 가능한 구조를 구비할 수 있다. 일례로, 제1 차단벽(232)은 두께 방향으로 다수의 관통홀들을 구비하는 플레이트 형태를 구비할 수 있다.
제2 차단벽(233)은 하우징(230)의 내부 공간에서 공기흡입부(234) 측에 설치되고 제1 공기센서판(237) 또는 제2 공기센서판(239)에 의해 개폐되는 중앙홀(233a)을 구비하는 플레이트 구조로서 사각 링(도 7 참조), 다각형 링 또는 원형 링(도 6 참조) 형태를 가질 수 있다.
제1 공기센서판(237)은 공기흡입부(234)를 통해 유입되는 공기의 압력 정도에 따라 움직일 수 있다. 제1 공기센서판(237)은 제1 장력스프링(236)을 게재하고 제1 차단벽(232)의 일면 상에 설치될 수 있다. 여기서, 제1 차단벽(232)은 제1 공기센서판(237)의 움직임을 차단할 수 있다.
제2 공기센서판(239)은 공기흡입부(234)를 통해 유입되는 공기의 압력 정도에 따라 움직일 수 있다. 제2 공기센서판(238)은 제2 장력스프링(238)을 게재하고 제1 공기센서판(237) 상에 배치될 수 있다. 여기서, 제2 차단벽(233)은 제2 공기센서판(239)의 움직임을 차단할 수 있다.
제1 공기센서판(237)의 원형 또는 사각형 주면(main surface)의 크기는 제2 공기센서판(239)의 대응 주면의 크기와 같거나 다를 수 있다. 다만, 제1 및 제2 공기센서판들(237, 239)의 주면들 각각의 크기는 제2 차단벽의 중앙홀(233a)의 크기보다 큰 것이 바람직하다.
공기반사기(240)는 공기흡입부(234)로 유입된 공기의 흐름을 집속할 수 있다. 공기반사기(240)는 하우징(230)의 내벽에서 내부 공간으로 공기 흐름 방향으로 따라 경사져 돌출하도록 배치될 수 있다.
열차가 우측 방향에서 좌측 방향으로 진행하는 경우에, 좌측에서 인입되는 공기는 제2 공기센서판(239)과 제1 공기센서판(237)을 우측 방향으로 밀게 된다. 도 5에서 우측으로 밀린 제1 공기센서판(237a) 및 제2 공기센서판(239a)이 점선으로 표시되어 있다. 저속의 공기 압력에 움직임이 가능한 제1 장력스프링(236)은 수축하고 제1 공기센서판(237)은 우측으로 이동하게 된다.
이러한 상태에서 공기흡입부(234)를 통해 유입되는 공기는 제2 차단벽(233)의 중앙홀을 통해 제1 공기센서판(237) 주위를 유동하고 제1 차단벽(232)의 관통홀들을 통과한 후 공기토출부(235)로 방출되어 풍력발전부(22)의 회전날개(226)를 회전시킬 수 있으며, 이에 의해 풍력 발전이 이루어지게 된다.
본 실시예에서는 도시의 편의상 제1 공기센서판(237)을 단일 블록 형태로 도시하였으나, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지는 않는다. 제1 공기센서판(237)은 격자 형태로 제작되어 공기의 흐름(air flow)은 통과시키면서 제1 공기센서판(237)의 움직임을 저지시키는 제1 차단벽(232)까지 이동할 수 있다.
또한, 열차의 속도가 증대하게 되면 제2 장력스프링(238)이 수축되어 제2 공기센서판(239a)이 더욱 우측으로 이동하며, 임계속도(예컨대, 도 4의 v2)에 이르면 제2 공기센서판(239a)이 제2 차단벽(233)까지 이동하여 제2 차단벽(233)의 중앙홀을 막게 되어 더 이상 외부 공기가 풍력발전부(22)의 회전날개(226)로 전달되지 않게 되며, 그에 의해 풍력원 기반 발전부의 전력 생산은 중단되게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 공기조절부(23)에서 제1 차단벽(232)과 제1 공기센서판(237) 사이에 위치하는 제1 장력스프링(236)은 열차의 속도가 제1 속도(도 4의 v1 참조)보다 빠르고 제2 속도(도 4의 v2 참조)보다 어느 정도 많이 느린 구간에서 공기흡입부(234)로 유입되는 공기의 힘에 의해 왼쪽에서 오른쪽 방향 또는 열차 진행 방향의 반대 방향으로 움직여서 중앙홀(233a)에서 떨어져 제1 차단벽(232)쪽으로 이동하게 되고(-이때, 제1 장력스프링(236)이 제1 길이로 수축하게 되고-), 공기흡입부(234)에서 유입된 공기가 중앙홀(233a)을 통해 공기토출부(235)로 방출된다.
그리고 열차의 속도가 제2 속도에 근접하기 시작하여 제2 속도를 거쳐 제2 속도 이상이 되는 경우, 제1 장력스프링(236)은 제2 속도에 근접할 때 최대로 압축되었다가 제2 공기센서판(239)이 중앙홀(233a)을 막을 때 제1 길이보다 큰 제2 길이로 완화될 수 있다. 여기서, 제2 길이는 제1 장력스프링(236)이 중앙홀(233a)을 막고 있을 때의 제3 길이에서 제1 길이를 뺀 길이가 될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 공기조절부(23)의 형태나 구조에 따라 제1 공기센서판(237), 제2 공기센서판(239), 제1 장력스프링(236) 및 제2 장력스프링(238)의 관계를 정의하여 열차의 속도에 따라 제1 속도와 제2 속도 사이의 구간에서 자동으로 작동하고, 제2 속도 이상에서 자동으로 작동정지하도록 구현될 수 있다.
한편, 열차가 우측 방향에서 좌측 방향으로 진행하게 되면 제1 공기조절부(23)에는 공기가 인입되지 못하게 되고 제1 공기센서판(237)이 제1 장력스프링(236)의 탄성으로 제2 차단벽(233)에 밀착된다. 이러한 구조 또는 작동 상태에 의하면, 외부로부터의 먼지 등과 같은 이물질이 공기조절부나 풍력발전부 내부로 유입되는 것을 방지하여 발전기를 보호할 수 있다.
제2 공기조절부(24)는 열차가 좌측 방향에서 우측 방향으로 진행할 때 제1 공기조절부(23)와 실질적으로 동일한 작동 원리에 따라 동작하여 풍력발전부(22)의 회전날개(226)에 공기를 공급할 수 있고, 그에 의해 풍력발전부(22)는 풍력원에 기초하여 전력을 생산할 수 있다.
도 8은 도 3의 하이브리드 자가발전 장치의 풍력원 기반 발전부의 다른 일부 구성과 진동원 기반 발전부의 구성에 대한 상세 구조도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력원 기반 발전부에 있어서, 풍력발전부에서 생성된 교류 전력은 두 단자들(227, 228)을 통해 제1 정류부(26)에 전달될 수 있다. 제1 정류부(26)는 4개의 전력용 다이오드들이 브리지 정류 다이오드 또는 다이오드 브리지 형태로 배치된 구조를 구비할 수 있다.
제1 정류부(26)에서 출력되는 맥류는 제1 평활부(28)에 전달되어 맥류가 상대적으로 평편한 직류 전류로 변환될 수 있다. 제1 평활부(28)는 제1 정류부(26)의 두 출력단들에 각각 병렬 연결되는 두 개의 커패시터들과 두 커패시터들의 고전위측 단자들 사이에 연결되는 인덕터를 포함할 수 있다.
제1 평활부(28)의 출력단에는 전력저장부(40)가 연결될 수 있다. 전력저장부(40)는 제1 평활부(28)에서 출력되는 전력을 직류 형태로 슈퍼커패시터(41)에 저장할 수 있다.
슈퍼커패시터(41)에 저장되는 전력은 부하(70)에 공급될 수 있다. 풍력원 기반 발전부와 진동원 기반 발전부로부터 과도한 전력이 발생하는 경우에, 부하(70)가 손상되는 것을 방지하고 발전기의 수명을 유지하기 위해 슈퍼커패시터(41)와 부하(70) 사이에는 보호회로가 배치될 수 있다. 보호회로는 과충전 보호회로, 과방전 보호회로, 과전류 보호회로, 단락 보호회로 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 보호회로는 서로 직렬 연결되는 저항(R1)과 제너다이오드(D1)를 포함할 수 있다. 보호회로는 슈퍼커패시터(41)의 양단과 부하(70)의 양단에 각각 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 부하(70)는 제너다이오드(D1)에 병렬 연결될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 진동원 기반 발전부(30)는 진동발전부(32), 제2 정류부(36) 및 제2 평활부(38)를 포함할 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 진동원 기반 발전부(30)는 열차의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다.
진동발전부(32)는 진동자(322) 및 고정자(324)를 포함할 수 있다. 진동자(322)는 열차의 진동에 따라 상하로 변위를 일으키는 영구자석으로 구성될 수 있다. 고정자(324)는 코일로 감겨있어 진동자(322)의 변위에 따라 전력을 유도할 수 있다. 진동발전부(32)에서 생성되는 교류 전류는 고정자(324)의 코일에 연결되는 단자들(327, 328)을 통해 제2 정류부(36)에 전달될 수 있다.
제2 정류부(36)는 교류 전류를 포함하는 입력 전력을 변환하여 맥류를 출력할 수 있다. 제2 정류부(36)는 브리지 정류 다이오드 또는 다이오드 브리지 구조를 구비할 수 있다.
제2 평활부(38)는 제2 정류부(36)에서 출력되는 맥류파 형태의 직류를 평활한 직류 형태로 변환할 수 있다. 제2 평활부(38)는 제1 평활부(28)와 유사하게 두 개의 커패시터들과 하나의 인덕터로 구성될 수 있다.
진동원 기반 발전부(30)에서 생성된 직류 전원은 전원 단자(50)를 통해 풍력원 기반 발전부의 직류 전원과 더해져 슈퍼커패시터(41)에 저장되거나, 부하(70)에 구동전력으로서 공급될 수 있다. 부하(70)는 무선센서의 센서장치(도 2의 110 참조) 및 통신장치(도 2의 120 참조)를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치에 채용할 수 있는 풍력원 기반 발전부와 진동원 기반 발전부의 결합 구조를 설명하기 위한 구조도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치는, 풍력원 기반 발전부에서 생성되는 전력을 저장하는 제1 슈퍼커패시터(42)와 진동원 기반 발전부에서 생성되는 전력을 저장하는 제2 슈퍼커패시터(43)를 구비할 수 있다.
풍력원 기반 발전부에서 생성되는 전력과 진동원 기반 발전부에서 생성되는 전력을 별도의 에너지 저장 장치들에 각각 저장하는 경우, 복수의 에너지 저장 장치들의 관리가 요구된다. 이에 본 실시예에서는 풍력원 기반 발전부에서 전력이 생성되는 동안에는 제1 슈퍼커패시터(42)에 부하(70)를 연결하고, 풍력원 기반 발전부에서 전력이 생성되지 않는 동안에는 제2 슈퍼커패시터(43)에 부하(70)를 연결하는 스위칭 소자 또는 스위칭 회로(45)를 더 포함할 수 있다.
스위칭 회로(45)는 작동 모드에 따라 부하(70)를 제1 슈퍼커패시터(42)에 연결하거나 제2 슈퍼커패시터(43)에 선택적으로 연결할 수 있다. 또한, 이러한 스위칭 회로(45)의 작동 모드를 자동으로 작동시키기 위해 풍력원 기반 발전부에는 센서(90)가 구비될 수 있다.
센서(90)는 풍력원 기반 발전부에서 일정 레벨 이상으로 생성되는 전류 또는 전압을 검출하고 제어신호(S1)나 그에 상응하는 이벤트 신호를 생성하거나 출력할 수 있다. 본 실시예에서 센서(90)는 제1 평활부(28)와 제1 슈퍼커패시터(42)의 고전위측 배선에 또는 배선상에 설치되나, 이에 한정되지 않으며, 풍력원 기반 발전부에서 전압 또는 전류를 측정할 수 있는 위치라면 어떠한 위치에라도 설치될 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 열차의 속도를 중심으로 하이브리드 자가발전 장치를 설명하였으나, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지는 않는다. 다른 실시예에 있어서, 진동원 기반 발전부는 열차의 운행 구간에 따라 미리 설정된 구간들에서만 작동하도록 설정될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 구간은 열차 주행 중에 측정된 데이터에 기초하여 제1 임계속도(도 4의 v2 참조) 이상과 제2 임계속도(도 4의 V_max 참조) 이하의 구간으로 설정될 수 있다.
예를 들면, 고속열차의 주행 시에 측정되는 수직 방향의 진동에 대한 데이터를 300㎐ 로우 패스 필터(low pass filter)를 이용하여 분석하고 분석 결과를 통해 주행 중 진동 경향에 대하여 확인할 수 있다. 측정 데이터에 대한 분석 결과, 고속열차에서 진동 가속도가 높게 나타나는 공통구역은 광명-천안아산 구간, 김천-구미 구간으로, 이 구간에서는 일정 레벨 이상의 높은 진동가속도가 측정되는 것을 확인하였다. 따라서, 본 실시예의 변형예에 있어서, 열차의 속도가 상대적으로 고속인 구간 즉, 미리 설정된 구간에서는 진동원 발전기를 구동하고, 열차의 속도가 상대적으로 저속인 구간에서는 풍력원 발전기를 구동하도록 구현될 수 있다.
전술한 실시예에 의하면, 열차의 운행상태를 모니터링 하기 위한 저전력 무선 센서에 필요한 전원을 열차가 주행함에 따라 발생하는 진동과 풍력원을 사용하여 자가발전으로 공급할 수 있다. 또한, 저속에서는 풍력원을 사용하여 전력을 생산하고, 고속에서는 진동원을 사용하여 전력을 생성하는 하이브리드 자가발전 장치를 제공할 수 있다. 특히, 열차의 진동원과 풍력원을 사용하여 각각 자가발전된 전력을 병렬로 연결하여 사용하는 방식과 열차의 속도에 따라 각각의 발전기의 구동을 제어하는 방식을 열차의 운전 상태에 따라 역동적으로 적용할 수 있다.
또한, 전술한 실시예에 의하면, 하이브리드 자가발전 장치를 구비하는 자가발전 무선 센싱 장치는 별도의 전원 없이, 열차의 주행 진동에 의해 스스로 작동하여 차축 베어링, 차륜 등 차량의 부품 상태를 실시간 측정하고, 이 데이터를 기관실, 열차사령실 등에 무선으로 전송할 수 있다. 여기서, 무선 센싱 장치는 차량상태 검측, 검측 데이터 무선전송 등에 필요한 전원을 열차의 주행 진동과 풍력만으로 자가발전할 수 있다.
또한, 자가발전 무선 센싱 장치는, 고속으로 주행하는 철도환경에서 발생하는 전파 전달 지연 및 연결 불안정, 신호 감쇄 등의 통신 문제를 최소화하여 최저전력으로 동작할 수 있다. 이러한 자가발전 무선 센싱 장치는 진동원과 풍력원을 조합하여 사용함으로써 상대적으로 큰 자가발전 용량을 가질 수 있고, 짧은 전송 주기에서도 기존 초저전력 상용 제품보다도 소량의 전력을 사용하는 무선전송 모듈을 채용함으로써 전력 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 실시예의 하이브리드 자가발전 장치를 구비하는 자가발전 무선 센싱 장치는 열차 주행 진동으로 자가발전을 하기 때문에 차량에 전원시설이 없는 화물열차는 물론이고 고속열차, 전동차 등 다양한 철도차량의 이상 상태를 실시간 모니터링하는데 쉽게 적용할 수 있다. 따라서, 전원시설이 없는 화물열차 등에서 주행 장치 등과 같은 화물열차의 핵심부품에 대한 관리를 육안검사 및 부품을 실제로 분해하여 이상 여부를 확인하지 않고도 화물열차의 동작 중에는 자가발전 무선 센싱 장치를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있으므로 탈선 등으로 인한 화물열차 사고를 조기에 예방하여 더욱 안전한 운행에 기여할 수 있다. 또한, 유럽에서 시속 250㎞ 이상의 속도로 주행하는 고속열차의 안전 강화를 위해 신규 제정한 차상 모니터링 안전기준(TSI Directice 96/48 EC 등)에 대응할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드 자가발전 장치 또는 이 자가발전 장치를 구비하는 무선 센싱 장치는 진동을 유발하는 펌프, 압축기 등의 설비나 기계장치에도 적용할 수 있고, 또한 이러한 설비나 기계장치가 많이 사용되는 플랜트, 발전소, 산업 생산장치 등 다양한 산업 설비에 적용되어 실시간 모니터링에 활용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 기계장치에 설치되어 상기 기계장치의 작동이나 운행 시에 생성되는 진동에너지를 제1 전기에너지로 변환하는 진동원발전기;
    상기 기계장치의 주변에 생성되는 공기의 운동에너지를 제2 전기에너지로 변환하고 공기조절부를 구비하는 풍력원발전기; 및
    상기 제1 전기에너지와 상기 제2 전기에너지를 저장하는 전력저장부를 포함하고,
    상기 풍력원발전기는 상기 공기조절부의 작동에 의해 상기 기계장치의 속도에 따라 자동으로 작동 또는 정지하며,
    상기 풍력원발전기는 상기 기계장치의 이동 속도가 제1 속도 이상 및 제2 속도 이하인 제1 기간에 동작하고, 상기 진동원발전기는 상기 기계장치의 이동 속도가 상기 제1 속도 이상 및 최대 속도 이하에서 동작하며, 상기 공기조절부의 흡입구는 상기 제1 기간에 개방되고 상기 제1 속도 이상 및 상기 최대 속도 이하인 제2 기간에 폐쇄되며,
    상기 공기조절부는,
    내부 공간, 상기 내부 공간의 일측에 공기흡입부, 및 상기 내부 공간의 타측에 공기토출부를 구비하는 하우징;
    상기 일측과 상기 타측 사이에서 상기 내부 공간을 분할하는 형태로 설치되며 상기 일측과 상기 타측 사이의 공기 유동을 허용하는 제1 차단벽;
    상기 일측과 상기 제1 차단벽 사이에서 상기 내부 공간을 분할하는 형태로 설치되며 상기 일측과 상기 타측 사이의 공기 유동을 허용하는 중앙홀을 구비하는 제2 차단벽;
    상기 제1 차단벽과의 사이에 제1 장력스프링을 개재하고 배치되며, 상기 제1 장력스프링의 장력이 제1 압력 이하일 때 상기 중앙홀을 상기 타측에서 막는 제1 공기센서판;
    상기 제1 차단벽과 상기 제1 공기센서판 사이의 간격에 대응하는 간격을 두고 상기 제1 공기센서판 상에서 상기 일측 방향으로 배치되며, 상기 제1 장력스프링의 장력이 제2 압력 이상일 때 상기 중앙홀을 상기 일측에서 막는 제2 공기센서판을 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력원발전기 또는 상기 진동원발전기에서 생성되는 전력이나 상기 전력저장부에 저장되는 전력은 상기 기계장치에 설치되는 무선센서의 전원으로 공급되는, 하이브리드 자가발전 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기조절부는 상기 하우징의 상기 제1 차단벽과 상기 제2 차단벽 사이의 내벽에 돌출되어 상기 일측에서 상기 타측으로 유동하는 공기를 가이드하는 공기반사기를 더 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기조절부는 상기 풍력원발전기의 회전날개를 사이에 두고 서로 마주하는 제1 공기조절부와 제2 공기조절부를 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 풍력원발전기는,
    회전날개, 상기 회전날개에 결합하는 회전자, 상기 회전자를 둘러싸는 고정자, 및 상기 회전자 또는 상기 고정자에 설치되는 코일을 구비하는 풍력발전부;
    상기 회전날개에 공기를 공급하는 상기 공기조절부; 및
    상기 풍력발전부에서 출력되는 교류 전류를 정류하는 제1 정류부를 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 진동원발전기는,
    일방향으로 진동하는 진동자, 상기 일방향과 직교하거나 교차하는 원형 또는 다각형 면들을 형성하도록 상기 진동자의 주위에 배치되는 권선 코일, 상기 권선 코일을 지지하는 고정자를 구비하는 진동발전부; 및
    상기 진동발전부에서 출력되는 교류 전류를 정류하는 제2 정류부를 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전력저장부는 상기 제1 정류부에서 출력되는 제1 직류와 상기 제2 정류부에서 출력되는 제2 직류를 저장하는 슈퍼커패시터를 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터의 양단이 부하에 병렬로 연결될 때, 상기 슈퍼커패시터와 상기 부하의 사이에서 상기 슈퍼커패시터의 양단에 병렬 연결되는 보호회로를 더 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 전력저장부는,
    상기 제1 정류부에서 출력되는 제1 직류를 저장하는 제1 슈퍼커패시터;
    상기 제2 정류부에서 출력되는 제2 직류를 저장하는 제2 슈퍼커패시터; 및
    상기 제1 슈퍼커패시터와 상기 제2 슈퍼커패시터 중 어느 하나를 부하에 연결하는 스위칭 회로를 더 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 풍력원발전기의 작동 상태에 따라 상기 스위칭 회로의 작동 모드를 변환하기 위한 제어신호를 생성하거나 출력하는 센서를 더 포함하는, 하이브리드 자가발전 장치.
  14. 청구항 1, 청구항 4, 및 청구항 6 내지 13 중 어느 한 항의 하이브리드 자가발전 장치; 및
    상기 하이브리드 자가발전 장치의 전원에 의해 동작하는 센서장치를 포함하는 무선 센서.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 하이브리드 자가발전 장치의 전원에 의해 동작하는 통신장치를 더 포함하는 무선 센서.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하이브리드 자가발전 장치는 열차의 주행 중에 생성되는 풍력원과 진동원을 이용하여 발전을 수행하는, 무선 센서.
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