KR20110106083A - 압전 에너지 수확 장치 및 이 장치의 동작 주파수 조절 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 복수 개의 에너지 수확 유닛을 구비하는 에너지 수확 장치로써, 외부 진동의 주파수에 대응하여 공진에 의해 에너지를 수확할 수 있도록 주파수의 조절이 가능한 압전 에너지 수확 장치와, 이 압전 에너지 수확 장치의 주파수 조절 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛; 및 상기 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들을 선택적으로 직렬 또는 병렬로 연결하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 에너지 수확 장치와, 에너지 수확 장치의 주파수 조절 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 압전 에너지 수확 장치(Piezoelectric Energy Harvester) 및 압전 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 진동의 진동수가 변화되는 경우에도 에너지 수확량을 크게 유지할 수 있도록 에너지 수확이 가능한 대역폭을 조절할 수 있는 압전 에너지 수확 장치와, 이 압전 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법에 관한 것이다.
본 발명은 한국과학재단 및 서울대학교산학협력단의 신기술 연구 개발 지원 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 2009-0083279, 과제명: 다물리 복합 구조시스템의 창의적 설계를 위한 멀티스케일 패러다임]
전기·전자 기술의 발달과 더불어 VLSI{Very Large Scale Integration}등의 저전력 전자 소자 기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화{miniaturization}하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(μW)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. 특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 그리고 다양한 종류의 센서의 소형화는 이러한 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 하였다. 이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력공급 체계를 요구한다. 이러한 전력 공급방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧다는 단점을 지닌다. 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리를 교체하는 것은 불가능하거나 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 개발되어 왔다. 에너지 수확 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 제백 효과(Seeback effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 그리고 전자기유도현상(Faraday's law of electromagnetic induction) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자기 변형 현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다.
도 17에는 종래의 압전 현상을 이용하는 에너지 수확 장치의 구동 원리를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 17에 도시된 것과 같이, 종래의 에너지 수확 장치는 구조물(1)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(33), 이 탄성부재(33)에 부착된 압전 소자(34), 그리고, 선택적으로 탄성부재의 자유단 측에 배치된 질량체(32)를 포함한다.
구조물이 진동함에 따라 상기 탄성부재가 진동하면서 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다.
캔틸레버와 캔틸레버에 부착된 압전 소자를 이용하여 다양한 구조물의 진동으로부터 전기 에너지를 수확하는 에너지 수확 장치에 대한 연구가 진행되고 있는데, 에너지 수확 장치의 고유 진동수에 대응하는 가진 주파수를 가지는 가진원(구조물)에 설치되는 경우에는 공진(resonance)에 의해 비교적 큰 전력을 얻을 수 있다는 점이 알려져 있다. 그러나 공진에 의해 비교적 큰 전력을 얻을 수 있는 경우에도 더욱 큰 출력을 얻기 위한 노력은 계속되는 중이며 이와 더불어 다 자유도의 에너지 수확 장치 구성을 통해 공진 대역폭을 증가시키는 노력도 진행 중이다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복수 개의 에너지 수확 유닛을 구비하는 에너지 수확 장치로써, 외부 진동의 주파수에 대응하여 공진에 의해 에너지를 수확할 수 있도록 주파수의 조절이 가능한 압전 에너지 수확 장치와, 이 압전 에너지 수확 장치의 주파수 조절 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛; 및
상기 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들을 선택적으로 직렬 또는 병렬로 연결하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 에너지 수확 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는
상기 개별 에너지 수확 유닛의 각각의 전극에 전기적으로 연결된 스위칭 유닛;
상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결된 제1출력단자; 및
상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결되고, 접지 스위칭 유닛과 전기적으로 연결되며, 상기 접지 스위칭 유닛에 의해 선택적으로 접지될 수 있도록 배치된 제2출력단자를 포함하고,
상기 스위칭 유닛은 상기 개별 에너지 수확 유닛의 전극이 제1출력단자, 제2출력단자, 접지 단자에 선택적으로 연결되도록 하여, 상기 개별 에너지 수확 유닛들 간의 전기적인 연결이 직렬연결 또는 병렬연결이 되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 압전체와 접한 두 개의 전극 중 제1전극에는 제1스위칭 유닛이 연결되고,
제2전극에는 제2스위칭 유닛이 연결되며,
상기 제1스위칭 유닛은 제1출력단자 또는 제2출력단자와 상기 제1전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어하고,
상기 제2스위칭 유닛은 제1출력단자, 제2출력단자 또는 접지 단지와 상기 제2전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는 트랜지스터를 이용한 전기적 스위치와, 상기 전기적 스위치의 동작을 조절하기 위해 외부에서 송신되는 RF 신호를 수신하는 RF 수신 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 개별 에너지 수확 유닛을 복수 개 구비한 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법으로써,
복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들 중 선택된 개수의 개별 에너지 수확 유닛들은 병렬로 연결하고, 나머지 개별 에너지 수확 유닛들은 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 에너지 수확 장치 및 이 에너지 수확 장치의 주파수 조절 방법에 의하면, 복수 개의 에너지 수확 유닛을 구비하는 에너지 수확 장치로써, 외부 진동의 주파수에 대응하여 공진에 의해 에너지를 수확할 수 있도록 주파수의 조절이 가능하고, 특히 장치의 기계적인 구성을 변경하지 않고도 에너지 수확 유닛들 간의 전기적인 연결 관계를 조절하여 주파수를 조절할 수 있다. 또한, 무선 신호 수신 모듈을 구비하는 경우에는 외부에서 무선 신호를 이용하여 기계적인 구성의 변화 없이 주파수 조절이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예로써 3개의 유니모프(unimorph) 형태의 개별 에너지 수확 유닛을 포함하는 에너지 수확 장치의 회로도의 일례.
도 2는 도 1의 시스템에서 스위칭 유닛을 조절하여 전체 개별 압전 에너지 수확 유닛들이 병렬로 연결된 경우의 시스템의 회로도.
도 3은 도 2에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 6은 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 7은 개별 에너지 수확 유닛 중 H1과 H2는 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로에 개별 에너지 수확 유닛 중 H3이 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도.
도 8은 도 7에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 9는 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 10은 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 11은 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 12는 개별 에너지 수확 유닛 중 H2와 H3은 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로가 개별 에너지 수확 유닛 중 H1에 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도.
도 13은 도 12에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 14는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 15는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 16은 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 17은 종래의 압전 에너지 수확 장치의 구성을 간략히 보여주는 도면.
도 18은 바이모프(bi-morph) 형태의 압전 에너지 수확 장치의 구성을 간략히 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 시스템에서 스위칭 유닛을 조절하여 전체 개별 압전 에너지 수확 유닛들이 병렬로 연결된 경우의 시스템의 회로도.
도 3은 도 2에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 6은 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 7은 개별 에너지 수확 유닛 중 H1과 H2는 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로에 개별 에너지 수확 유닛 중 H3이 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도.
도 8은 도 7에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 9는 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 10은 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 11은 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 12는 개별 에너지 수확 유닛 중 H2와 H3은 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로가 개별 에너지 수확 유닛 중 H1에 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도.
도 13은 도 12에 도시된 회로도를 간략화한 회로도.
도 14는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프.
도 15는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프.
도 16은 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프.
도 17은 종래의 압전 에너지 수확 장치의 구성을 간략히 보여주는 도면.
도 18은 바이모프(bi-morph) 형태의 압전 에너지 수확 장치의 구성을 간략히 보여주는 도면.
본 발명의 출원일 이전에 앞서 출원되었고 본 발명의 출원일 당시에 아직 공개되지 않은 한국 특허출원 제2009-17773호와 제2009-44119호에는 에너지 수확장치의 작동 진동수 대역을 넓히기 위해서 각각의 서로 다른, 인접한 진동수를 가지는 복수의 개별 에너지 수확 유닛을 연결하여 에너지 수확 장치를 구현한 예들이 기재되어 있다. 이렇게 복수의 에너지 수확 유닛으로 에너지 수확 장치를 구성하여 사용하는 경우, 개별 에너지 수확 유닛들 간의 전기적 연결을 방법에 따라 다른 특성을 얻을 수 있다. 즉, 복수의 에너지 수확 유닛을 서로 병렬로 연결한 경우에는 출력 전류의 양을 증가시킬 수 있고, 직렬로 연결한 경우에는 출력 전압을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 진동수 조절 방법에 의하는 경우에는 전기적 스위칭으로 개별 에너지 수확 유닛간의 연결을 직렬과 병렬로 조합하여 출력 전압, 전류 및 파워를 필요에 따라 극대화할 수 있게 된다.
본 발명을 설명하면서 사용하는 용어 중 개별 에너지 수확 유닛은 진동에 의해 변형되면서 에너지를 발생시킬 수 있는 가장 작은 단위를 지칭하는 용어로, 압전 에너지 수확 장치에 있어서의 개별 에너지 수확 유닛은 압전체와 압전체의 양측에 각각 배치된 전극들을 포함하는 압전 소자를 지칭한다. 예를 들어, 도 17에 도시된 것과 같이 캔틸레버의 일면에만 압전 소자가 배치된 유니모프 형태의 경우, 캔틸레버에 하나의 개별 압전 에너지 수확 유닛이 배치된 것이고, 도 18에 도시된 것과 같이, 캔틸레버의 양면에 압전 소자가 배치된 바이모프 형태의 경우, 캔틸레버에 두 개의 개별 압전 에너지 수확 유닛이 배치된 것이 된다.
또한, 본 발명을 설명하면서 사용하는 용어 중 "시스템"은 에너지 수확 장치와 실질적으로 동일한 의미로 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 3개의 개별 에너지 수확 유닛을 포함하는 에너지 수확 장치의 전기적 연결 구성을 보여주는 회로도의 일례가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 에너지 수확 장치는, 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛과 이 에너지 수확 유닛들을 선택적으로 직렬 또는 병렬로 연결하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
상기 스위칭 제어부는, 상기 개별 에너지 수확 유닛의 각각의 전극에 전기적으로 연결된 스위칭 유닛; 상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결된 제1출력단자; 및 상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결되고, 접지 스위칭 유닛과 전기적으로 연결되며, 상기 접지 스위칭 유닛에 의해 선택적으로 접지될 수 있도록 배치된 제2출력단자를 포함한다.
상기 스위칭 유닛은 상기 개별 에너지 수확 유닛의 전극이 제1출력단자, 제2출력단자, 접지 단자에 선택적으로 연결되도록 하여, 상기 개별 에너지 수확 유닛들 간의 전기적인 연결이 직렬연결 또는 병렬연결이 되도록 제어한다.
상기 에너지 수확 유닛은 압전체와 압전체의 양측에 각각 배치된 전극들을 포함하는 압전 에너지 수확 유닛이다. 상기 압전체와 접한 두 개의 전극 중 제1전극(도 1의 (+) 전극)에는 제1스위칭 유닛(도 1의 S1(+), S2(+), S3(+))이 연결되고, 제2전극(도 1의 (-) 전극)에는 제2스위칭 유닛(도 1의 S1(-), S2(-), S3(-))이 연결된다.
상기 제1스위칭 유닛은 제1출력단자 또는 제2출력단자와 상기 제1전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어하고, 상기 제2스위칭 유닛은 제1출력단자, 제2출력단자 또는 접지 단지와 상기 제2전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어한다.
보다 상세히 설명하면, 개별 에너지 수확 유닛의 (+) 및 (-) 전극 측에 각각 스위칭 유닛이 배치되고, 각각의 (+)극 스위칭 유닛은 개별 에너지 수확 유닛이 제1출력단자(E1)와 제2출력단자(E2)에 선택적으로 연결되도록 제어할 수 있다. 각각의 (-)극 스위칭 유닛은 제1출력단자(E1), 제2출력단자(E2) 및 접지 단자 중 하나에 선택적으로 연결되도록 제어할 수 있다. 이 경우 각각의 스위칭 유닛의 연결 상태에 따라 개별 에너지 수확 유닛간의 연결은 직렬 또는 병렬이 될 수 있다. 이러한 회로 구성을 조합하면 전체 에너지 수확 장치는 직렬과 병렬의 연결 조합을 구성할 수 있게 된다.
이하에서는 개별 압전 에너지 수확 유닛의 폐회로 및 개회로 고유 진동수가 다음과 같은 경우를 예로 들어 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
| H1 | H2 | H3 | |
| 폐회로 고유진동수 (Hz) | 124.7 | 127.4 | 131.2 |
| 개회로 고유진동수 (Hz) | 128.9 | 131.6 | 135.5 |
도 2에는 도 1의 시스템에서 스위칭 유닛을 조절하여 전체 개별 압전 에너지 수확 유닛들이 병렬로 연결된 경우의 시스템의 회로도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에 도시된 회로도를 간략화한 회로도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프가 도시되어 있고, 도 5에는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 2 및 도 3에 도시된 병렬연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 전체 병렬로 연결된 경우의 전체 시스템의 출력 전력은 개별 에너지 수확 유닛의 출력 전력의 최대값에 비해 두 배 이상 증폭되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 것 같이 출력 전류는 3개의 피크 중 가장 왼쪽의 피크에서 48%, 중앙의 피크에서 20%, 가장 오른 쪽의 피크에서 15.7%가 증폭된 것을 확인할 수 있다. 다만, 병렬연결이기 때문에 도 5에 도시된 것과 같이 출력 전압은 증폭되지 않았다.
도 4 내지 도 6의 주파수에 따른 응답 그래프는 개별 에너지 수확 유닛의 임피던스, 감쇠, 개별 에너지 수확 유닛의 고유 진동수 분포 등에 따라 변화될 수 있으나, 그래프의 양상은 동일하다.
도 7에는 개별 에너지 수확 유닛 중 H1과 H2는 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로에 개별 에너지 수확 유닛 중 H3이 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7에 도시된 회로도를 간략화한 회로도가 도시되어 있으며, 도 9에는 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프가 도시되어 있고, 도 10에는 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프가 도시되어 있으며, 도 11에는 도 7 및 도 8에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, 두 개의 에너지 수확 유닛이 병렬로 연결된 경우에도 전체 시스템의 출력 전력은 개별 에너지 수확 유닛의 출력 전력의 최대값에 비해 두 배 이상 증폭되는 것을 알 수 있다. 특히, 최대 전력 출력값을 얻을 수 있는 주파수 대역이 개별 에너지 수확 유닛 각각의 고유 진동수의 값과 달라지는 것을 확인할 수 있어서, 병렬 및 직렬연결의 조합을 통해 외부 진동에 대응하는 주파수 영역에 전체 시스템의 출력이 최대가 되는 주파수가 대응되도록 조절하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 전류와 전압의 그래프에서도 최대 전류가 발생하는 주파수 대역과 최대 전압이 발생하는 주파수 대역이 이동된 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 이를 이용하면 외부 진동의 주파수에 대응하여 전류나 전압을 극대화하도록 시스템 주파수를 조절 할 수 있다.
도 9 내지 도 11의 주파수에 따른 응답 그래프는 개별 에너지 수확 유닛의 임피던스, 감쇠, 개별 에너지 수확 유닛의 고유 진동수 분포 등에 따라 변화될 수 있으나, 그래프의 양상은 동일하다.
도 12에는 개별 에너지 수확 유닛 중 H2와 H3은 병렬로 연결되고 이 부분 병렬 회로가 개별 에너지 수확 유닛 중 H1에 직렬로 연결되어 있는 경우의 회로도가 도시되어 있고, 도 13에는 도 12에 도시된 회로도를 간략화한 회로도가 도시되어 있으며, 도 14에는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전력의 그래프가 도시되어 있고, 도 15에는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전압의 그래프가 도시되어 있으며, 도 16에는 도 12 및 도 13에 도시된 병렬 및 직렬 혼합 연결의 경우에 외부 진동의 주파수에 따른 출력 전류의 그래프가 도시되어 있다.
도 14에 도시된 것과 같이, 두 개의 에너지 수확 유닛이 병렬로 연결된 경우에도 전체 시스템의 출력 전력은 개별 에너지 수확 유닛의 출력 전력의 최대값에 비해 두 배 이상 증폭되는 것을 알 수 있다. 특히, 이 경우에도 최대 전력 출력값을 얻을 수 있는 주파수 대역이 개별 에너지 수확 유닛 각각의 고유 진동수의 값과 달라지는 것을 확인할 수 있어서, 병렬 및 직렬연결의 조합을 통해 외부 진동에 대응하는 주파수 영역에 전체 시스템의 출력이 최대가 되는 주파수가 대응되도록 조절하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 전류와 전압의 그래프에서도 최대 전류가 발생하는 주파수 대역과 최대 전압이 발생하는 주파수 대역이 이동된 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 이를 이용하면 외부 진동의 주파수에 대응하여 전류나 전압을 극대화하도록 시스템 주파수를 조절 할 수 있다.
도 14 내지 도 16의 주파수에 따른 응답 그래프는 개별 에너지 수확 유닛의 임피던스, 감쇠, 개별 에너지 수확 유닛의 고유 진동수 분포 등에 따라 변화될 수 있으나, 그래프의 양상은 동일하다.
본 발명의 기술적 사상을 방법적인 관점에서 설명하면, 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 개별 에너지 수확 유닛을 복수 개 구비한 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법으로써, 특히 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들 중 선택된 개수의 개별 에너지 수확 유닛들은 병렬로 연결하고, 나머지 개별 에너지 수확 유닛들은 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법이라고 할 수 있다.
도 4 내지 도 6, 도 9 내지 도 11, 도 14 내지 도 16의 주파수 응답 그래프로부터 알 수 있듯이, 조금씩 차이가 나지만 실질적으로 차이가 크지 않은 고유 진동수 값을 가지는 세 개의 개별 에너지 수확 유닛으로 전체 시스템이 구성되어 있을 때, 이 개별 에너지 수확 유닛들의 선택적인 병렬과 직렬의 조합 연결을 통해 매우 다른 동 특성의 응답을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다.
이러한 특성을 이용하면 유한(有限)개의 개별 에너지 수확 유닛들을 포함하는 시스템에서 개별 에너지 수확 유닛들 간의 직렬 또는 병렬을 조합한 연결의 경우의 수를 알 수 있는데, 각각의 경우에 어떠한 특성 변화를 갖는지 미리 파악하여 두고, 외부에서 작용하는 진동에 맞추어 직렬 및 병렬연결을 조절함으로써 외부 진동에 공진하여 시스템의 에너지 산출량을 최대화 하도록 할 수 있다.
결과적으로 위의 주파수 응답 그래프에서 살펴본 특성은 복수 개의 에너지 수확 유닛을 포함하는 에너지 수확 장치에서 개별 에너지 수확 유닛의 구조적 변경 없이 전기적 연결 방법을 다르게 함으로써 전체 에너지 수확 장치의 성능이 최대화되는 작동 진동수를 조절할 수 있다는 장점을 제공해 준다.
또한, 병렬 및 직렬연결을 조절하는 스위칭 유닛으로 트랜지스터 등의 전기적 스위칭 유닛을 이용하면, 작동 진동수 조절을 위해 기계적 엑츄에이터를 사용하는 것에 비해 그 소모 전력이 매우 작아질 수 있어 유리하다. 또한, 트랜지스터 등의 전기적 스위칭 유닛을 제어하는 신호를 RF(Radio Frequency) 신호 등을 이용하여 원격으로 제어 하도록 할 수 있어서, 일단 설치가 완료된 에너지 수확 장치에 대하여 작동 환경의 변화에 대응하여 매우 쉽고 간편하게 작동 주파수를 변경하도록 하여 지속적으로 에너지를 수확할 수 있게 한다는 장점을 누릴 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 에너지 수확 장치는, 스위칭 제어부에 트랜지스터를 이용한 전기적 스위치와, 상기 전기적 스위치의 동작을 조절하기 위해 외부에서 송신되는 RF 신호를 수신하는 RF 수신 모듈을 더 포함할 수 있다.
이상의 설명에서는 세 개의 개별 에너지 수확 유닛을 포함하여 전체 시스템을 구현하는 경우에 대해서만 설명하였지만, 개별 에너지 수확 유닛의 개수가 복수 개 사용되는 경우라면 모든 다중 에너지 수확 장치에 적용할 수 있다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 구조물
13: 캔틸레버
17, 19: 압전 소자
17a, 17c, 19a, 19c: 전극
17b, 19b: 압전체
32: 질량체
33: 탄성부재
34: 압전 소자
13: 캔틸레버
17, 19: 압전 소자
17a, 17c, 19a, 19c: 전극
17b, 19b: 압전체
32: 질량체
33: 탄성부재
34: 압전 소자
Claims (5)
- 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛; 및
상기 복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들을 선택적으로 직렬 또는 병렬로 연결하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하는 에너지 수확 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스위칭 제어부는
상기 개별 에너지 수확 유닛의 각각의 전극에 전기적으로 연결된 스위칭 유닛;
상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결된 제1출력단자; 및
상기 스위칭 유닛들과 전기적으로 연결되고, 접지 스위칭 유닛과 전기적으로 연결되며, 상기 접지 스위칭 유닛에 의해 선택적으로 접지될 수 있도록 배치된 제2출력단자를 포함하고,
상기 스위칭 유닛은 상기 개별 에너지 수확 유닛의 전극이 제1출력단자, 제2출력단자, 접지 단자에 선택적으로 연결되도록 하여, 상기 개별 에너지 수확 유닛들 간의 전기적인 연결이 직렬연결 또는 병렬연결이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전체와 접한 두 개의 전극 중 제1전극에는 제1스위칭 유닛이 연결되고,
제2전극에는 제2스위칭 유닛이 연결되며,
상기 제1스위칭 유닛은 제1출력단자 또는 제2출력단자와 상기 제1전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어하고,
상기 제2스위칭 유닛은 제1출력단자, 제2출력단자 또는 접지 단지와 상기 제2전극이 선택적으로 연결될 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치. - 제1항에 있어서, 상기 스위칭 제어부는 트랜지스터를 이용한 전기적 스위치와, 상기 전기적 스위치의 동작을 조절하기 위해 외부에서 송신되는 RF 신호를 수신하는 RF 수신 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치.
- 압전체와, 상기 압전체의 양측에 각각 접하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 개별 에너지 수확 유닛을 복수 개 구비한 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법으로써,
복수 개의 개별 에너지 수확 유닛들 중 선택된 개수의 개별 에너지 수확 유닛들은 병렬로 연결하고, 나머지 개별 에너지 수확 유닛들은 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확 장치의 동작 주파수 조절 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100025307A KR101129012B1 (ko) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 압전 에너지 수확 장치 및 이 장치의 동작 주파수 조절 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100025307A KR101129012B1 (ko) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 압전 에너지 수확 장치 및 이 장치의 동작 주파수 조절 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110106083A true KR20110106083A (ko) | 2011-09-28 |
| KR101129012B1 KR101129012B1 (ko) | 2012-03-23 |
Family
ID=44956158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100025307A KR101129012B1 (ko) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | 압전 에너지 수확 장치 및 이 장치의 동작 주파수 조절 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101129012B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160136027A (ko) * | 2015-05-19 | 2016-11-29 | 대하테크원(주) | 진동 검출 및 에너지 하베스팅 센서 장치 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3289634B2 (ja) * | 1997-02-27 | 2002-06-10 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 圧電型電源装置 |
| KR100891483B1 (ko) * | 2007-03-23 | 2009-04-02 | 건국대학교 산학협력단 | 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로 |
-
2010
- 2010-03-22 KR KR1020100025307A patent/KR101129012B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160136027A (ko) * | 2015-05-19 | 2016-11-29 | 대하테크원(주) | 진동 검출 및 에너지 하베스팅 센서 장치 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101129012B1 (ko) | 2012-03-23 |
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