KR20100027656A - 압전 소자를 구비하는 전력 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 소자를 구비하는 전력 공급 장치에 관한 것으로, 도로 상에 설치되어 도로의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 소자, 교류 전압이 입력되는 정류부 및 정류부로부터 출력되는 직류 전압에 의해 충전되는 축전 수단을 포함한다. 주변 환경에서 발생하는 진동을 에너지원으로 활용함으로써 전력 공급 장치의 유지보수 및 관리가 용이하다.
압전 소자, 도로, 진동, 전압, 축전

Description

압전 소자를 구비하는 전력 공급 장치 {Power supply device having piezoelectric device}
본 발명은 압전 소자를 구비하는 전력 공급 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주변 환경에서 발생하는 진동을 에너지원으로 활용할 수 있도록 한 전력 공급 장치에 관한 것이다.
최근 유비쿼터스(ubiquitous) 기반 컴퓨터 및 네트워크 통신 시스템 기술의 발전에 따라 각종 센서로부터 수집된 정보를 무선으로 실시간 관리하는 유비쿼터스 센서 네트워크(ubiquitous sensor network)가 핵심 인프라 기술로 주목받고 있으며, 휴대성 및 편의성 뿐만 아니라 시간과 장소에 구애받지 않고 네트워크에 접속할 수 있는 정보기기의 개발도 가속화되고 있다.
따라서 각종 센서 및 정보기기의 장시간 동작을 위한 저전력 시스템의 개발과, 전력 공급원으로서 충전지(battery)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
그러나 화학적 원리를 이용하는 충전지는 부피가 크고 장시간 사용에 따른 효율이 낮은 단점이 있다. 또한, 각종 정보를 수집하는 센서의 전력 공급원으로 사용될 경우 센서가 접근이 어려운 외부에 설치되면 주기적인 유지보수 및 관리가 쉽지 않을 뿐 아니라 갑작스런 방전 등으로 인해 시스템 오작동이 유발될 수 있다.
이러한 충전지의 단점을 보완하기 위하여 부피 당 전력밀도가 높은 충전지나 연료 전지를 개발하고 있지만, 현재의 기술 수준으로는 크기 및 성능 면에서 적용이 쉽지 않은 실정이다.
본 발명의 목적은 시스템을 보다 편리하고 안정적으로 유지할 수 있는 전력 공급 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 장치나 비용을 투자하지 않고 주변 환경으로부터 얻을 수 있는 에너지원을 활용하는 전력 공급 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전력 공급 장치는 도로 상에 설치되어 도로의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 소자, 상기 교류 전압이 입력되는 정류부 및 상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압에 의해 충전되는 축전 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 전력 공급 장치는 상기 정류부의 출력 단자 간에 연결된 필터용 캐패시터, 상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압을 일정 전압 으로 변환하여 상기 축전 수단으로 제공하는 직류-직류 컨버터 및 상기 도로의 진동을 상기 압전 소자로 전달하는 전달 장치를 더 포함한다.
본 발명의 전력 공급 장치는 차량의 주행에 의한 도로의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 소자를 구비한다. 압전 소자는 전기적인 노이즈가 매우 적을 뿐만 아니라 수명이 반영구적인 장점을 가진다. 따라서 주변 환경에서 발생하는 차량의 운행에 따른 진동을 에너지원으로 활용함으로써 전력 공급 장치의 유지보수 및 관리가 용이해지고, 시스템의 운영이 안정적으로 이루어질 수 있으며, 충전지의 사용에 따른 이차적인 환경 오염도 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 공급 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 전력 공급 장치는 도로 상에 설치되어 도로의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 소자(10), 압전 소자(10)에 의해 발생된 교류(AC) 전압이 입력되는 정류부(20) 및 정류부(20)로부터 출력되는 직류(DC) 전압에 의해 충전되는 축전 수단(30)을 포함한다. 또한, 정류부(20)의 출력 단자 간에는 필터용 캐패시터(40)와, 정류부(20)로부터 출력되는 직류 전압을 일정 전압으로 변환하여 축전 수단(30)으로 제공하는 직류-직류(DC-DC) 컨버터(50)가 연결될 수 있다.
압전 소자(10)는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변화시키는 즉, 압전 현상을 일으키는 수단으로, 무기물 및 유기물을 포함하는 여러 가지의 압전 재료 예를 들어, Pb(Zr,Ti)O3와 같은 압전 세라믹스로 제조된 압전 박막을 포함하며, 발생된 전압은 단자(14a 및 14b)를 통해 출력된다.
정류부(20)는 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환시키는 수단으로, 예를 들어, 네 개의 다이오드(D1 내지 D4)로 구성되는 브리지(bridge)형 정류기로 구성될 수 있다.
축전 수단(30)은 직류(DC) 전압에 의해 충전이 가능한 충전지(rechargeable battery) 또는 캐패시터(capacitor)로 구성된다. 캐패시터의 경우 용량은 압전 소자(10)에 의해 생성되는 전하량에 의해 결정되는데, 통상적으로 100 내지 2200uF의 범위 내에서 선택될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 파형도로서, 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3을 참조하면, 압전 소자(10)는 도로(60) 상에 설치된다. 압전 소자(10)는 도로(60)의 표면이나, 도로(60)의 일정 깊이에 매설될 수 있으며, 차량의 운행에 따른 도로의 진동이 효과적으로 전달될 수 있는 구조로 설치되면 된다. 진 동의 전달 효율 면에서는 차량의 바퀴와 직접적으로 접촉되는 도로의 중앙부에 설치되는 것이 유리하며, 설치 및 유지보수 면에서는 도로의 주변부에 설치되는 것이 유리하다. 이 때 도로의 진동이 보다 효과적으로 압전 소자(10)에 전달될 수 있도록 판 형태의 스프링과 같은 전달 장치(도시 안됨)를 설치할 수 있다.
도로의 진동에 의해 압전 소자(10)의 압전 박막이 상하 또는 좌우로 진동하면 압전 소자(10)로부터 도 2a와 같은 교류(AC) 전압이 발생되고, 교류(AC) 전압은 단자(14a 및 14b)를 통해 출력되어 정류부(20)로 입력된다. 이 때 압전 소자(10)에 의해 생성되는 전하(Q)는 도 2b와 같다.
압전 소자(10)에 의해 생성되는 전하(Q)는 하기의 수학식 1과 같이 압전 전하계수(d 33 )를 비례상수로 하며 외력(F 3 )에 비례한다. 이 때 생성되는 전기 에너지(W)는 하기의 수학식 2와 같이 압전 전하계수(d 33 )와 압전 전압계수(g 33 )의 곱에 비례하며, 소자의 크기와도 직접적으로 관계된다. 따라서 발전 효율을 증대시키기 위해서는 압전 소자의 특성 즉, 압전 전하계수(d 33 )와 압전 전압계수(g 33 )의 값이 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 소자의 형상과 가해지는 진동의 세기도 중요한 요소로 작용한다.
Q = d 33 · F 3
W = 1/2 · g 33 · d 33 · F 3 · T/WL
정류부(20)로 입력된 교류(AC) 전압은 다이오드(D1 내지 D4)에 의해 도 2c에 도시된 바와 같이 전파 정류되어 직류(DC) 전압으로 변화된다. 이 때 필터용 캐패시터(40)의 평활 작용에 의해 직류(DC) 전압의 파형이 개선될 수 있다.
상기와 같이 정류된 직류(DC) 전압은 직류-직류(DC-DC) 컨버터(50)에 의해 일정 전압으로 변화되어 축전 수단(30)에 충전된다. 축전 수단(30)에 충전되는 전압(Vc)은 도 2b에 도시된 바와 같이 압전 소자(10)에 의해 생성되는 전하(Q)량에 의해 결정된다.
상기 실시예에서는 차량의 운행에 따른 진동만을 에너지원으로 활용한 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나 주변 환경에서 발생하는 어떠한 진동이나, 타이핑(typing), 호흡, 도보와 같이 인간의 동작에 의해 발생하는 진동을 활용할 수 있음은 물론이다. 또한, 안정성을 도모하기 위하여 저항, 인덕터 및 다이오드 등의 소자가 정류부(20), 필터용 캐패시터(40) 및 직류-직류 컨버터(50) 등에 적절하게 연결될 수 있다. 각 소자는 전하량의 손실이 최소화되도록 최대한 높은 효율을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 전력 공급 장치는 도로에 설치되는 각종 교통안전 표시 장치의 자체 전력 공급원으로 사용되거나, 풍력, 태양력 등의 자가발전 시스템의 적용이 곤란한 기후 조건 및 장소에 설치되는 유비쿼터스 센서 네트워크의 자체 전력 공급원으로 적합하다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 공급 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 파형도.
도 3은 본 발명에 따른 전력 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 예시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 압전 소자 14a, 14b: 단자
20: 정류부 30: 축전 수단
40: 필터용 캐패시터 50: 직류-직류 컨버터
60: 도로

Claims (5)

  1. 도로 상에 설치되어 도로의 진동에 따라 교류 전압을 발생하는 압전 소자;
    상기 교류 전압이 입력되는 정류부; 및
    상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압에 의해 충전되는 축전 수단을 포함하는 전력 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정류부의 출력 단자 간에 연결된 필터용 캐패시터를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압을 일정 전압으로 변환하여 상기 축전 수단으로 제공하는 직류-직류 컨버터를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 도로의 진동을 상기 압전 소자로 전달하는 전달 장치를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 축전 수단이 충전지 또는 캐패시터로 이루어진 전력 공급 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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